采用固相反應法合成具有焦綠石立方結構的Bi1.5ZnNb1.5O7(BZN)陶瓷靶材,采用脈沖激光沉積法在Pt/SiO2/Si(100)基片制備立方BZN薄膜。研究了隨襯底溫度的變化,薄膜的結晶性能,微觀形貌以及介電性能的差異。結果表明當襯底溫度在550~650℃時,薄膜具有純的立方BZN結構,并且在600℃時薄膜的晶粒發育比較完整,此時薄膜具有較高的介電常數和較低的損耗。

　　關鍵詞：Bi1.5ZnNb1.5O7薄膜;脈沖激光沉積;微結構;介電性能

　　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

　　鉍鋅鈮(BZN) 是以Bi2O3-ZnO-Nb2O5 三元系統為基礎的材料, 最初是因為它具有較低的燒結溫度(950) , 可以與銀電極實現共燒, 作為陶瓷電容器而受到廣泛的應用。低溫燒成的BZN高頻多層陶瓷電容器( 又稱獨石電容, MLC) 瓷料采用銀作為內電極, 降低了電極成本, 用于生產已經有30多年的歷史, 該瓷料具有燒結溫度低、介電常數高、頻率溫度系數調整范圍寬等特點, 可以取代以鎂、鑭、鈦等熟補償瓷料為基礎的高頻MLC[1-3]。而近些年來BZN成為研究熱點卻是作為電場可調介電薄膜材料, 特別是具有非常小的損耗特點。薄膜材料相對于體材料具有很多優點, 例如有利于器件的微型化、低的驅動電壓、快的響應速度、方便的外延生長等,因此BZN 薄膜材料具有非常好的應用前景[2-4] 。

　　本文主要研究立方焦綠石結構的Bi1.5 ZnNb1.5O7(BZN) , 因為BZN具有非常良好的介電可調諧性及很低的損耗, 并具有良好的微波特性。BZN 陶瓷材料被認為在GHz 頻段不能滿足低損耗的要求, 而BZN薄膜材料則有不同的性質, 由于襯底與薄膜之間的熱失配引起的薄膜張應力減小了介電弛豫的活化能, 使得BZN 薄膜需要更高的頻率來使介電損耗峰遷移到室溫[4-6] 。加州大學的科研人員在藍寶石基底上制備的立方BZN薄膜損耗低于0.0005, 可調率達到55% , 立方BZN薄膜優異的性能使之成為電場可調電介質材料研究的熱點[4-6] 。

　　薄膜的制備方法主要分為: 物理氣相沉積(PVD) , 包括濺射( sputtering) 、激光脈沖沉積( PLD) 、分子束外延(MBE) 等; 和化學氣相沉積( CVD) , 包括金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD) 、溶膠凝膠(so-lgel) 等[4-5] 。PLD方法的基本原理是利用經過聚焦而具有很高能流密度的紫外脈沖激光照射靶材, 產生激光等離子體, 最終在襯底上沉積成膜。其最大優點是膜的化學成分和靶的化學成分很接近, 因而易于獲得成分可嚴格控制的膜, 尤其適合制備BZN薄膜, 因為Bi, Zn具有高揮發性。BZN薄膜的晶體結構和介電性能對其成分很敏感, 所以嚴格控制薄膜的組分是能否獲得高質量薄膜非常關鍵的因素。

　　通過PLD方法在Pt/SiO2/Si(100) 基片制備立方BZN薄膜, 襯底溫度影響著BZN薄膜的結晶、取向和表面形貌, 還對介電性能和可調性產生影響。隨著襯底溫度的升高, 薄膜晶粒尺寸增大, 結晶更加完全, 介電常數也隨之增大, 在600和650時, 薄膜呈現(222) 峰擇優取向, 介電常數達到了200, 損耗降到了0.7% 。在650, 可調性最大為4%, 薄膜的耐壓為450 kV/cm, 這與靶材, 薄膜樣品的成分, 結晶性能和表面形貌都有很大的關系。

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