基于离子取代的高调谐铋基焦绿石薄膜及性能研究

Bismuth based cubic pyrochlores have moderate dielectric constant, high electric-field dielectric tunability, especially the low dielectric loss, which make them promising candidates for microwave dielectric tunable applications. The dielectric tunable properties of bismuth based pyrochlores are concerned with the disordered ions on A-sites. In this research, the stable structures and dielectric properties of bismuth based pyrochlores are substituted by the ions with small radius and high polarizability on the A-sites are investigated for defining how the randomness and dipole moments affect the dielectric tunability of bismuth based pyrochlore materials. This study will develop a new bismuth based pyrochlore thin films with high dielectric tunability, low dielectric loss and stable dielectric performance. Both the one-port and two-ports microwave-testing methods are employed to investigate the microwave dielectric loss behavior of bismuth based pyrochlore materials. Moreover, it will provide reliable design parameters for 5G communication systems.

铋基立方焦绿石材料具有适中的介电常数、较高的介电调谐率，尤其是极低的介电损耗，是一种非常有前途的新型微波介质可调材料。这类材料的介电调谐性与其结构中的A-位无序离子有关。本项目采用磁控溅射方法制备铋基焦绿石薄膜，分别通过半径小、极化率高的A-位离子取代，研究材料中的无序度和偶极矩对铋基焦绿石材料介电调谐性的影响，有望开发出具有高可调、低损耗、性能稳定的新型铋基焦绿石材料。采用单端口和双端口两种不同的微波性能分析方法，研究铋基焦绿石材料微波频段下的介电损耗行为，为该类材料在5G通信系统中的应用提供可靠的设计参数。

基于介电可调薄膜的微波调谐技术能够对微波信号的频率、相位、幅度进行调制，而且具有大容量、低功耗、响应快、以及易集成的特点。铋基焦绿石薄膜在保持较大介电常数和较高介电调谐率的同时具有极低的介电损耗，在5G系统以及未来通讯系统中具有巨大的应用前景。本项目围绕铋基焦绿石材料性能的优化和微波频段下的应用开展了相关的研究：针对铋基焦绿石材料的结构特点，以介电调谐机理为理论依据，通过不同的离子取代（Ca、Sr、Cu、Ni、Co），研究了A-位离子半径和极化率对铋基焦绿石介质材料介电性能的影响规律，开发出介电损耗小、调谐率高、性能稳定的新型铋基焦绿石介电可调材料；优化并完善适用于大量材料制备和筛选的三元氧化物薄膜材料高通量组合生长技术，制备了Bi2O3-MgO-Nb2O5-AO (A=Ca、Ni、Co)材料芯片，并对材料的介电性能进行了表征；针对铋基焦绿石介电可调材料在微波频段下的应用，设计了单端口测试结构和双端口测试结构，研究了BMN薄膜材料的微波介电损耗行为，并研制了基于BMN薄膜的变容管原型器件，为该类材料在通信系统中的应用提供了可靠的设计参数。