BST薄膜的铁电性能

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1.4.1电滞回线   
电滞回线是铁电体的主要特征之一，往往通过测量电滞回线去检验物质是否为铁电体以及铁电性的强弱。Y. P. Ding等人采用RT6000HVS铁电测试系统测试了Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜和Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜的电滞回线 [23]。当晶粒尺寸为60nm时，Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜和Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜的剩余极化强度分别为0.22μC/cm2、0.35μC/cm2；当晶粒尺寸为200nm时，它们分别为1.68μC/cm2、1.83μC/cm2。这表明BST薄膜的铁电性与其组成、晶粒尺寸等有密切关系。
O. Tikhomirov等运用共焦扫描光学显微镜观测了Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜的微区电滞回线[41]。在约为10K的狭窄温区内，随着温度的升高，回线的形状发生改变，然后回线消失。
1.4.2 介电非线性特性
如前所述,铁电材料的电压（介电）非线性是指材料的极化强度随外加电场强度呈非线性变化，因而介电系数随外加电场变化的特性。非线性的强弱可用介电系数的电场变化率（或称为可调性）来表征，根据[εr(0)-εr(app)]/εr(0)×100%计算介电系数的电压变化率。
O. G. Vendik等人研究认为，对于有序-无序型铁电体，在居里温度以上几度非线性便会消失；而对于位移型铁电体，在居里温度以上50-100℃仍保持非线性[42]。因此，Ba1-xSrxTiO3材料在较宽的温度范围内都具有非线性。
Y. P. Ding等人研究发现，晶粒尺寸对BST薄膜的非线性具有明显的影响[23]。在1V/μm的电场下，当Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜的晶粒尺寸为200nm时，介电系数变化率为32%；当Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜的晶粒尺寸为60nm时，介电系数变化率为12%。
王培英等人研究Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜的C-V特性曲线发现,电容C的两个峰值相对于Y轴不对称，偏向+V一方[43]。他们认为这是由于在BST薄膜的电极与薄膜的界面层中存在带电离子所形成的空间电荷，并迭加在外电场所致。他们还发现，在C-V特性中，随着电压的增加或减少，自发极化强度变化最大时，电容就会出现峰值，所对应的电压是铁电薄膜的矫顽电压。              
1.5 本论文的研究背景及内容
本文在国家安全重大基础研究项目和“十五”军事电子预研项目的支持下，采用射频磁控溅射的方法, 以Ba0.6Sro.4TiO3陶瓷为靶材，通过对BST薄膜的制备工艺、组成、微结构及铁电性能的研究，制备出均匀、致密、附着力好、适合制作薄膜型介质移相器的非线性BST铁电薄膜材料。为此开展了以下几个方面的研究：
1、ф120mmBST陶瓷靶材研制。通过对不同组分BaXSr1-xTiO3（x=0.45~0.9）系列陶瓷材料的晶体结构、介电系数温度特性、频率特性以及电滞回线的研究，找出其介电性能与组分的关系，优选出适合制备介质移相器用BST薄膜材料的靶材组分。通过严格控制成型和烧结工艺，制备出致密、均匀、不变形，满足射频磁控要求的ф120mm的BST陶瓷靶材。
2、BST薄膜材料制备工艺研究。通过研究成膜工艺与BST薄膜的组成、形貌、及介电性能的关系，优化出磁控溅射制备BST薄膜的工艺参数。
3、BST薄膜材料的微结构研究。利用XRD、AFM、PFM、XPS等微观分析手段研究BST薄膜的成分及微结构，找出沿膜厚方向的成分分布，弄清BST薄膜的晶体结构，探索该材料中的电畴种类及临界尺寸。
4、BST薄膜材料电压非线性尺度效应研究。通过研究不同晶粒尺寸、膜厚的BST薄膜的铁电性能，找出BST薄膜的电压非线性随尺度变化的规律。