鍶鋇比及膜厚對鈦酸鍶鋇薄膜介電行為的影響

趙麗麗 張智翔 高永進 翟春雪 何崇斌

西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127

鍶鋇比及膜厚對鈦酸鍶鋇薄膜介電行為的影響

趙麗麗 張智翔 高永進 翟春雪 何崇斌

西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127

采用溶膠-凝膠法制備不同鍶鋇比、不同膜厚的鈦酸鍶鋇薄膜，研究了薄膜的介電行為。性能測試表明，在不同的鍶鋇比的鈦酸鍶鋇薄膜中，介電性能最好的鍶鋇比為0.5:0.5，此時介電系數(shù)最大介電損耗最?。荒ず衽c薄膜的介電系數(shù)呈線性關(guān)系，隨膜厚增加薄膜的介電系數(shù)線性增加。

溶膠-凝膠法；鈦酸鍶鋇薄膜；介電性能；鍶鋇比

引言

材料的組分決定了材料的性能，鈦酸鍶鋇薄膜是一種環(huán)境友好的、鈦酸鍶和鈦酸鋇全范圍的固溶體，由于其鍶鋇比可調(diào)而具有優(yōu)秀的微波介電可調(diào)性而得到廣泛關(guān)注。目前關(guān)于其研究主要涉及：一、采取各種辦法制備高擇優(yōu)取向薄膜，根據(jù)晶體的介電各向異性來提高膜介電性能[1-2]；二、摻雜及其對介電性能的改進[3-4]；三、結(jié)構(gòu)、缺陷的研究[5-6]等等。

筆者從鍶鋇比的選擇著手制備了不同鍶鋇比的鈦酸鍶鋇薄膜，考察了鍶鋇比對膜介電性能的影響和膜厚對鈦酸鍶鋇介電性能的影響。

1 實驗部分

按（鍶+鋇）：鈦＝1：1（物質(zhì)的量比）的比例，稱取醋酸鍶和醋酸鋇（Sr/Ba值分別為：0.1:0.9、0.2:0.8、0.3:0.7、0.4:0.6、0.5:0.5和0.6:0.4），溶于適量的冰醋酸和乙二醇甲醚混合溶液中，攪拌30分鐘，加入幾滴乙酰丙酮，繼續(xù)攪拌30分鐘。然后將混合溶液倒入等摩爾的鈦酸丁酯中，再攪拌45分鐘，得到淺黃色清澈透明的溶膠。溶膠陳化2天后甩膠，甩膠層數(shù)分別為5、6、7、8、9層，每層均經(jīng)過120℃熱處理，最后在700℃(2h)制備鈦酸鍶鋇薄膜。

薄膜的相結(jié)構(gòu)采用日本Rigaku的D/max-3c型X射線衍射儀測試，微觀結(jié)構(gòu)采用日本Shimadzu的SPM9500J3型原子力顯微鏡進行觀察，并采用LCR DATABRIDGE 2018A測試薄膜的介電性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍶鋇比對鈦酸鍶鋇薄膜介電性能的影響

采用溶膠-凝膠法甩膜9層制備不同鍶鋇比的鈦酸鍶鋇薄膜，對其介電性能的測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1(a)可見，隨著鈦酸鍶鋇膜中鍶含量的增加膜的介電系數(shù)增加。各個頻率的測試都表明，在鍶鋇比為0.5:0.5時(即Ba0.5Sr0.5TiO3)，薄膜的介電系數(shù)最大，同時在10kHz和100kHz下薄膜的介電系數(shù)明顯高于0.1kHz和1kHz狀態(tài)下。圖1(b)的變化趨勢說明，在Sr/Ba值在0.1:0.9～0.5:0.5的范圍內(nèi)時，膜的介電損耗隨鍶含量的增加大致呈減小的趨勢，當(dāng)鍶鋇比為0.5:0.5時，介電損耗最小，Sr/Ba值大于0.5:0.5時，膜的介電損耗增加；并且10kHz和100kHz下薄膜的介電損耗明顯低于0.1kHz和1kHz狀態(tài)下?？傮w來講，圖1說明，當(dāng)鍶鋇比為0.5:0.5時膜的介電系數(shù)最大而介電損耗最小。

圖1 鈦酸鍶鋇膜的鍶含量x與介電系數(shù)和介電損耗的關(guān)系

圖2 膜厚與介電系數(shù)的關(guān)系

2.2 膜厚對薄膜介電性能的影響

采用溶膠-凝膠法制備Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜，分別甩膜5、6、7、8、9層，研究膜厚對介電性能的影響，測量結(jié)果如圖2。

由圖2可見，薄膜的相對介電常數(shù)與膜厚呈線性相關(guān)，相對介電常數(shù)隨膜厚增加而線性增加。因此，從器件性能出發(fā)，在尺寸允許的范圍內(nèi)，選擇盡量厚的膜有利于提高器件的介電性能。

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠法制備了鈦酸鍶鋇薄膜，研究了鍶鋇比和膜厚對薄膜介電性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，鍶鋇比為0.5:0.5時，即Sr0.5Ba0.5TiO3薄膜具有最大的介電系數(shù)和最小的介電損耗；隨膜厚增加，Sr0.5Ba0.5TiO3薄膜的介電系數(shù)線性增加。

[1] Shengbo Lu, Zhenkui Xu, Jiwei Zhai. Thickness dependence of strain and in-plane dielectric properties of highly (001) oriented (Ba,Sr)TiO3thin films [J]. Thin Solid Films, 2010, 518: 5928～5931

[2] C.C. Zhang, J.C. Shi, C.S. Yang, et al. Preparation of (100)-oriented LaNiO3on Si for the textured Ba0.5Sr0.5TiO3thin films [J]. Applied Surface Science, 2008, 255: 2773～2776

[3] Xiaojing Yang, Xi Yao, Liangying Zhang. The dielectrical properties of (B,Si) doped (Ba,Sr)TiO3thin films fabricated by sol–gel technique[J]. Ceramics International, 2004, 30: 1763～1765

[4] Yun Ye, Tailiang Guo. Dielectric properties of Fe-doped Ba0.65Sr0.35TiO3thin films fabricated by the sol–gel method [J]. Ceramics International, 2009, 35: 2761～2765

[5] Xiaohong Zhua, Dongning Zheng, Wei Peng, et al. Preparation, microstructure and dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3thin films grown on Pt/Ti/ SiO2/Si substrates by pulsed laser deposition [J]. Materials Letters, 2004, 58: 3591～3596

[6] I. B. Misirlioglu, A. L. Vasiliev, M. Aindow, et al. Strong Degradation of Physical Properties and Formation of a Dead Layer in Ferroelectric Films Due to Interfacial Dislocations [J]. Integrated Ferroelectrics, 2005, 71: 67～80

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.016

陜西省教育廳自然科學(xué)項目（08JK462）；陜西省科技廳自然科學(xué)項目（SJ08-ZT04）

趙麗麗，山西臨汾人，副教授，從事新型電子材料與元器件研究。