钙钛矿结构异质叠层薄膜的界面结构与介电性能相关性研究

微波频率器件的高可靠性及敏感性对微波介质材料提出了更高的要求，具有高品质因子（低损耗）和近零谐振频率温度系数等性能材料的组成通常比较复杂，是限制其薄膜材料发展的主要原因。本项目拟采用Pechini方法制备系列钙钛矿结构的CaTiO3及A(B1/3B'2/3)O3 前躯体溶液，将不同组成的材料按一定方式排列制备异质叠层薄膜，采用GXRD、XPS及STEM等测试其界面结构，研究界面结构与介电性能相关性；根据界面结构模型进行电子结构计算及有限元电性能模拟，从理论上探讨界面层厚度、界面原子间相互作用、元素扩散、应力分布等对薄膜介电性能的影响，理论计算与实验测试结果对比，获得异质叠层薄膜界面结构模型与等效电路模型，指导设计具有近零频率温度系数、高Q值的介电薄膜材料及其排布结构。该项目探索一种低成本制备高性能介电薄膜的技术，为实现薄膜材料介电性能系列化提供理论依据与技术支撑，具有重要的理论与应用价值。

本项目分别采用Pechini方法和水溶液凝胶法成功合成了系列A(B1/3B 2/3)O3型化合物，通过异质叠层技术分别制备了复杂组分的介电薄膜。研究了薄膜的界面结构、排布方式、异质界面数和界面处理等对薄膜结构和介电性能的影响，设计薄膜的模拟等效电路，建立介电常数和介电损耗的理论计算公式，通过第一性原理的电子结构计算研究异质叠层薄膜的界面结构，探讨其界面结构对材料介电性能的影响规律，比较了均质薄膜与异质薄膜结构与性能间的差异，获得异质叠层技术制备复杂体系薄膜的有力支撑。已按照计划完成了所有的研究工作，取得的主要研究结果如下：.1.Pechini方法和水溶液凝胶法均可制备均一光滑致密的钙钛矿结构异质薄膜。水溶液凝胶法的原材料为普通氧化物或碳酸盐，无毒、稳定性好，制备过程不会产生任何有毒中间产物。前驱体水溶液的稳定性好，易保存，凝胶是多种金属离子柠檬酸配位化合物通过NH4+连接形成的网络结构，热处理过程中金属离子很容易断键迁移，形成致密的薄膜；.2. 薄膜表面应力产生的八面体扭转和z方向形成的氧缺位有助于降低电子极化中的损耗，提高薄膜的介电性能。扭转及氧缺位引起结构畸变，导致新键的产生、共价性的增强以及在晶体内部形成不同位置B位原子有序化排列，提高热处理温度可促使有序化；.3. 采用异质叠层的方式可以获得与均质薄膜相媲美的性能，为复杂体系薄膜的制备找到了一条有效途径。异质叠层方式制备的薄膜中同时存在不同组分的独立相，热处理导致相互扩散形成界面过渡层。异质界面层的存在有利于改善叠层薄膜的介电性能，通过减小异质界面层和电极界面层厚度可有效提高薄膜的介电性能；.4. 界面结构对薄膜的介电性能产生大的影响，以阳离子为界面的(112)AB取向薄膜可以降低薄膜的介电损耗。通过界面处理去除O原子截止面可以实现此目的，同时还可有效降低界面过渡层的厚度。与电极接触层（首层）的结构与性能对薄膜结构与性能产生大的影响。首层不同，电极界面层就不同，以成核势垒低的物质为首层薄膜的结晶程度高，对介电性能提高有利；.5. 对于相同厚度的异质薄膜，增加异质界面数可使薄膜介电性能提高，增大薄膜介电常数，降低介电损耗。随着薄膜厚度增加，介电常数递增，介电损耗减小，直到趋近于块体材料的数值。与薄膜表面粗糙度、局部应变及由薄膜晶体结构的松弛、相结构的畸变、晶体内部的缺陷等所引起的非本征损耗有关。