脉冲激光沉积法制备立方焦绿石结构的Bi1.5ZnNb1.5O7薄膜

　　采用固相反应法合成具有焦绿石立方结构的Bi1.5ZnNb1.5O7(BZN)陶瓷靶材,采用脉冲激光沉积法在Pt/SiO2/Si(100)基片制备立方BZN薄膜。研究了随衬底温度的变化,薄膜的结晶性能,微观形貌以及介电性能的差异。结果表明当衬底温度在550~650℃时,薄膜具有纯的立方BZN结构,并且在600℃时薄膜的晶粒发育比较完整,此时薄膜具有较高的介电常数和较低的损耗。

　　关键词：Bi1.5ZnNb1.5O7薄膜;脉冲激光沉积;微结构;介电性能

　　Abstract: The cubic Bi1.5ZnNb1.5O7(BZN) ceramic targets were fabricated by sintering a mixture of high purity Bi2O3,ZnO,and Nb2O5powders;and the cubic BZN films were grown by pulsed laser deposition.The impacts of the film growth conditions,such as the substrate temperature,power of the pulsed laser,and deposition rate,on the microstructures and properties of the BZN films were evaluated.The BZN films were characterized with X-ray diffraction,atomic force microscopy and other conventional surface probes.The results show that the substrate temperature strongly affects the surface morphology and dielectric properties of the BZN films.At a substrate temperature ranging from 550～650℃,the film has a dominant cubic pyrochlore phase.And at 600℃,the compact films with fairly uniform crystal grains have a high dielectric constant and a low loss.

　　Keywords: BZN thin films,Pulsed laser deposition,Microstructure,Dielectric property

　　铋锌铌(BZN) 是以Bi2O3-ZnO-Nb2O5 三元系统为基础的材料, 最初是因为它具有较低的烧结温度(950) , 可以与银电极实现共烧, 作为陶瓷电容器而受到广泛的应用。低温烧成的BZN高频多层陶瓷电容器( 又称独石电容, MLC) 瓷料采用银作为内电极, 降低了电极成本, 用于生产已经有30多年的历史, 该瓷料具有烧结温度低、介电常数高、频率温度系数调整范围宽等特点, 可以取代以镁、镧、钛等熟补偿瓷料为基础的高频MLC[1-3]。而近些年来BZN成为研究热点却是作为电场可调介电薄膜材料, 特别是具有非常小的损耗特点。薄膜材料相对于体材料具有很多优点, 例如有利于器件的微型化、低的驱动电压、快的响应速度、方便的外延生长等,因此BZN 薄膜材料具有非常好的应用前景[2-4] 。

　　本文主要研究立方焦绿石结构的Bi1.5 ZnNb1.5O7(BZN) , 因为BZN具有非常良好的介电可调谐性及很低的损耗, 并具有良好的微波特性。BZN 陶瓷材料被认为在GHz 频段不能满足低损耗的要求, 而BZN薄膜材料则有不同的性质, 由于衬底与薄膜之间的热失配引起的薄膜张应力减小了介电弛豫的活化能, 使得BZN 薄膜需要更高的频率来使介电损耗峰迁移到室温[4-6] 。加州大学的科研人员在蓝宝石基底上制备的立方BZN薄膜损耗低于0.0005, 可调率达到55% , 立方BZN薄膜优异的性能使之成为电场可调电介质材料研究的热点[4-6] 。

　　薄膜的制备方法主要分为: 物理气相沉积(PVD) , 包括溅射( sputtering) 、激光脉冲沉积( PLD) 、分子束外延(MBE) 等; 和化学气相沉积( CVD) , 包括金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 、溶胶凝胶(so-lgel) 等[4-5] 。PLD方法的基本原理是利用经过聚焦而具有很高能流密度的紫外脉冲激光照射靶材, 产生激光等离子体, 最终在衬底上沉积成膜。其最大优点是膜的化学成分和靶的化学成分很接近, 因而易于获得成分可严格控制的膜, 尤其适合制备BZN薄膜, 因为Bi, Zn具有高挥发性。BZN薄膜的晶体结构和介电性能对其成分很敏感, 所以严格控制薄膜的组分是能否获得高质量薄膜非常关键的因素。

　　通过PLD方法在Pt/SiO2/Si(100) 基片制备立方BZN薄膜, 衬底温度影响着BZN薄膜的结晶、取向和表面形貌, 还对介电性能和可调性产生影响。随着衬底温度的升高, 薄膜晶粒尺寸增大, 结晶更加完全, 介电常数也随之增大, 在600和650时, 薄膜呈现(222) 峰择优取向, 介电常数达到了200, 损耗降到了0.7% 。在650, 可调性最大为4%, 薄膜的耐压为450 kV/cm, 这与靶材, 薄膜样品的成分, 结晶性能和表面形貌都有很大的关系。

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