高功率脈沖磁控濺射技術(shù)及鐵電可調(diào)諧微波元件的研究
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【摘要】：高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)是一種新興的薄膜濺鍍技術(shù),能夠在瞬間產(chǎn)生的高密度等離子體,有效地改善薄膜性能,對(duì)薄膜工業(yè)的發(fā)展有重要意義�；阼F電薄膜的可調(diào)諧微波組件,有望在現(xiàn)代通信系統(tǒng)得到重要應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。本論文從HiPIMS薄膜的沉積、鈦酸鍶鋇(BST)薄膜和變?nèi)萜鞯闹苽湟约翱烧{(diào)諧微波元件的設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行研究。HiPIMS是在離子化物理氣相沉積技術(shù)的基礎(chǔ)上,在瞬間提供非常高的功率生成高密度等離子體,用以產(chǎn)生高密度體沉積流,目前主要應(yīng)用于制備碳薄膜和各種金屬薄膜。本論文深入研究了HiPIMS技術(shù)的工作機(jī)理,探討了等離子體特性。采用HiPIMS技術(shù)成功地制備了氧化鋯薄膜,并通過理論和實(shí)驗(yàn)研究了不同濺射氣體比例、濺射腔激勵(lì)電源功率和脈沖參數(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn),選擇合適的氧氬比和驅(qū)動(dòng)脈沖占空比,可以產(chǎn)生較均勻穩(wěn)定的等離子體。在玻璃和氧化銦錫(ITO)-玻璃襯底上制備的氧化鋯薄膜,最小粗糙度分別只有1.1 nm和1.3 nm,其薄膜的穿透度分別達(dá)到90%和84%以上。玻璃襯底上薄膜的能帶系數(shù)接近5.86 eV,ITO襯底上薄膜的光學(xué)能帶會(huì)受到ITO的限制,僅為3.8 eV。超薄氧化鋯薄膜顯示了優(yōu)于84 10??A/m的漏電流特性。本論文采用射頻濺鍍技術(shù)沉積了鈦酸鍶鋇薄膜,并討論了沉積氧壓、基片溫度、濺射腔激勵(lì)電源功率等對(duì)鈦酸鍶鋇薄膜鍍率的影響。成功地制備了金屬-BST-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)的變?nèi)萜?調(diào)諧度可達(dá)44.4%。在此研究基礎(chǔ)上,首次成功制備了金屬-BST-ITO新型結(jié)構(gòu)的變?nèi)萜�。由于氧空缺機(jī)制,ITO變?nèi)萜麟娙?電壓特性為單調(diào)下降趨勢,調(diào)諧度為8.5%。在鐵電薄膜變?nèi)萜骰A(chǔ)上進(jìn)行了鐵電移相器的設(shè)計(jì)。采用HFSS仿真軟件模擬了耦合度-3 dB的周期性負(fù)載轉(zhuǎn)向耦合器。在Mach-Zehnder電光調(diào)制結(jié)構(gòu)中應(yīng)用BST薄膜變?nèi)萜?設(shè)計(jì)了鐵電薄膜可調(diào)諧移相器。仿真結(jié)果表明,此移相器可實(shí)現(xiàn)最大相移為219.2°,工作頻寬為232 MHz。論文最后還設(shè)計(jì)了基于本論文所研究的新型移相器的兩種高增益陣列天線,天線最高增益可達(dá)29.8 dBi,采用錐形振子結(jié)構(gòu),雙極化天線獲得頻寬19.52%,為未來制備可調(diào)諧天線等微波調(diào)諧元件提供了依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：高功率脈沖磁控濺射 鈦酸鍶鋇薄膜 變?nèi)萜?/strong> 轉(zhuǎn)向耦合器 可調(diào)諧元件
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN61
【目錄】：
- 中文摘要4-5
- Abstract5-10
- 第一章 緒論10-20
- 1.1 論文研究背景及意義10-12
- 1.2 HiPIMS技術(shù)及BST薄膜制備國內(nèi)外研究狀態(tài)12-18
- 1.3 本論文研究內(nèi)容及主要架構(gòu)18-20
- 第二章 HiPIMS技術(shù)20-40
- 2.1 離子化物理氣相沉積技術(shù)20-26
- 2.2 HiPIMS技術(shù)特點(diǎn)26-28
- 2.3 HiPIMS高真空濺鍍系統(tǒng)28-31
- 2.4 HiPIMS等離子特性31-38
- 2.4.1 等離子體放電原理31-32
- 2.4.2 輝光放電機(jī)制32-33
- 2.4.3 德拜遮罩33-34
- 2.4.4 Langmuir探測技術(shù)34-38
- 2.5 小結(jié)38-40
- 第三章 基于HiPIMS技術(shù)氧化鋯薄膜的研究40-62
- 3.1 靶材粒子路徑模型40-44
- 3.2 氧化鋯薄膜制備與分析44-46
- 3.2.1 HiPIMS實(shí)驗(yàn)44-46
- 3.2.2 光學(xué)特性分析46
- 3.2.3 漏電流實(shí)驗(yàn)46
- 3.3 氧含量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響46-54
- 3.3.1 靶材峰值電流-電壓與功率密度特性46-48
- 3.3.2 薄膜表面特征研究48-51
- 3.3.3 光學(xué)特性51-54
- 3.3.4 電學(xué)特性54
- 3.4 脈沖參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響54-60
- 3.4.1 鋯原子的平均電離長度54-55
- 3.4.2 脈沖關(guān)閉時(shí)間對(duì)沉積的影響55-57
- 3.4.3 薄膜表面特征研究57-58
- 3.4.4 光學(xué)特性58-59
- 3.4.5 電學(xué)特性59-60
- 3.5 小結(jié)60-62
- 第四章 鈦酸鍶鋇薄膜及其變?nèi)萜鞯难芯?/span>62-78
- 4.1 鐵電材料的特性62-65
- 4.1.1 鐵電特性62-63
- 4.1.2 滯回特性63-64
- 4.1.3 介電特性64-65
- 4.2 RF磁控濺鍍?cè)?/span>65-66
- 4.3 鈦酸鍶鋇薄膜的制備66-68
- 4.4 沉積參數(shù)對(duì)BST薄膜鍍率的影響68-72
- 4.4.1 基板溫度68-69
- 4.4.2 濺射氣壓69
- 4.4.3 靶材-基板距離69-71
- 4.4.4 靶材功率71
- 4.4.5 氧氣含量71-72
- 4.5 BST薄膜變?nèi)萜?/span>72-76
- 4.5.1 實(shí)驗(yàn)步驟72-73
- 4.5.2 變?nèi)萜鞯腃-V特性73-76
- 4.6 小結(jié)76-78
- 第五章 可調(diào)諧微波元件的研究78-112
- 5.1 定向耦合器78-87
- 5.1.1 耦合線耦合器78-81
- 5.1.2 耦合線的奇偶模分析81-85
- 5.1.3 順向、反向和轉(zhuǎn)向耦合器85-87
- 5.2 周期性負(fù)載耦合器87-99
- 5.2.1 周期性負(fù)載耦合線87-90
- 5.2.2 周期性負(fù)載耦合器的設(shè)計(jì)90-91
- 5.2.3 順向耦合器的設(shè)計(jì)91-94
- 5.2.4 轉(zhuǎn)向耦合器的設(shè)計(jì)94-99
- 5.3 可調(diào)諧移相器的設(shè)計(jì)99-107
- 5.3.1 移相器設(shè)計(jì)原理99-102
- 5.3.2 仿真BST變?nèi)萜?/span>102-103
- 5.3.3 ADS模擬BST移相器103-105
- 5.3.4 HFSS模擬BST移相器105-107
- 5.4 TRL矯正技術(shù)107-110
- 5.5 小結(jié)110-112
- 第六章 兩種高增益陣列天線的設(shè)計(jì)112-126
- 6.1 高增益定向陣列天線112-117
- 6.2 錐形振子結(jié)構(gòu)的寬帶雙極化天線117-124
- 6.3 小結(jié)124-126
- 第七章 結(jié)論與展望126-130
- 參考文獻(xiàn)130-142
- 發(fā)表論文和參加科研情況說明142-144
- 致謝144-145
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，本文編號(hào)：519466
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