Ba(Mg1-3B-2-3)O3疊層薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與介電性能研究.pdf

1、鋇基復(fù)合鈣鈦礦Ba(B'1/3B"1/3)O3型材料具有適中的介電常數(shù)（ε）、超低的介電損耗（tanδ）和近零的諧振頻率溫度系數(shù)，作為諧振器和濾波器在無線、衛(wèi)星通訊和軍事雷達等領(lǐng)域具有重要作用。本文以Ba(Mg1/3B"1/3)O3（B"為 Ta和Nb）為研究對象，采用基于密度泛函理論的第一性原理對其電子結(jié)構(gòu)進行計算，從理論上探討B(tài)a(Mg1/3B"1/3)O3介電性能影響的本質(zhì)因素，及組成變化對材料介電性能的影響，以此為依據(jù)采用水溶液

2、凝膠法制備Ba(Mg1/3B"1/3)O3薄膜，探討其介電極化產(chǎn)生的機制及組成、結(jié)構(gòu)與介電性能的相關(guān)性。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、鸥鶕?jù)Ba(Mg1/3Nb1/3)O3（BMN）與Ba(Mg1/3Ta1/3)O3（BMT）的XRD測試結(jié)果，精修獲得其晶體結(jié)構(gòu)及晶胞參數(shù)，據(jù)此構(gòu)建BMNT（Nb:Ta=0:9，1:8，2:7，3:6，9:0）超晶胞模型，采用第一性原理VASP軟件包進行電子結(jié)構(gòu)計算。結(jié)果表明：Ba-O和Mg-O之間主要

3、形成離子鍵，而Ta-O和Nb-O之間以共價鍵結(jié)合為主；Ta-O和Nb-O之間強烈的共價鍵相互作用是BMNT具有良好介電性能的本征原因，BMN介電常數(shù)大于BMT的根本原因是由于[NbO6]八面體體積大于[TaO6]。
　?、艬a(Mg1/3Nb2/3)O3前驅(qū)體凝膠是金屬離子檸檬酸配位化合物通過NH4+連接形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于金屬離子斷鍵遷移，可在較低溫度下形成致密薄膜。利用水溶液凝膠法，在550℃就可以合成完全鈣鈦礦

4、結(jié)構(gòu)的BMN薄膜，該薄膜的B位1:2有序程度隨著熱處理溫度升高而增加，750℃BMN薄膜具有最優(yōu)的介電性能，100 KHz的ε和tanδ分別為30.7和0.018，1MHz時的ε和tanδ分別為30.4和0.025。BMN薄膜的介電常數(shù)與介電損耗主要受薄膜的致密度和長程1:2有序度影響。熱處理溫度為750℃時，介電性能在1MHz以下的頻率穩(wěn)定性及電容-偏壓穩(wěn)定性均較好。直流電場作用下會使漏電流急劇增加，但電場強度小于250KV/cm時，

5、其值均小于3.0±10-8 A/cm2，相對于薄膜材料而言漏電流較低。BMN薄膜在不同頻段具備不同的介電響應(yīng)機制，在100Hz到100KHz測試范圍內(nèi)，空間電荷極化機制控制著BMN薄膜的介電響應(yīng)，導(dǎo)致ε和tan?都隨著頻率的增加而降低；在100KHz~1MHz時，介電響應(yīng)轉(zhuǎn)而受到偶極子極化的控制，ε不再隨頻率變化，tanδ隨頻率提高而增大；在更高的頻率下（ MHz~1 GHz），由于偶極子極化開始滯后外場變化，ε在250-330 MHz

6、之間隨頻率增加而下降，tanδ在292 MHz出現(xiàn)峰值。在1-4 GHz的范圍內(nèi)，由于離子和電子云位移極化起主導(dǎo)作用，ε和tanδ基本不隨頻率變化，ε和tanδ分別為28.5和0.0030±0.0015。BMN薄膜中各種極化貢獻最大的是離子位移極化，因此是一種非常適合于高頻（>1GHz）的微波介電材料。
　?、荁MNT薄膜的介電性能隨Nb含量的變化有較大改變。Nb的引入使介電常數(shù)增加，少量Nb的引入使介電損耗降低，隨Nb含量進一步

7、增加，介電損耗將增大。這是由薄膜形貌結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)共同決定的，因為少量Nb的引入，使Ta-O共價相互作用增強，而大量Nb的引入，則反而會削弱Ta-O相互作用，摻Nb量為1/8，Ta-O相互作用最強，此時的介電性能也最優(yōu)，在100 KHz時，ε和tanδ分別為24.89和0.0186；1 MHz時，ε和tanδ分別為24.35和0.0264；在1-4 GHz時，ε和tanδ分別為22.46和0.0045±0.0015。
　　⑷BMT

8、/BMN疊層薄膜存在起伏的、結(jié)晶性良好的界面過渡層。高頻ε和tanδ均低于低頻ε和tanδ，這主要是由于在1-4GHz頻段時，只剩下離子位移極化和電子云的位移極化，相應(yīng)的介電常數(shù)和介電損耗變小。同時，BMN薄膜的介電性能優(yōu)于BMT薄膜，這主要是BMT和BMN薄膜分別是以立方相為主和以六方相為主的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，而六方相結(jié)構(gòu)的離子極化可分解為更多小量的4πρj的分振動模，這些較弱的振動模間的相互耦合非常小，抑制了能量從一個模量到另一個模量的傳