钛酸锶钡（BST）因其高介电常数、低损耗和优异的电压调控特性，被视为下一代射频微波器件的核心材料。然而，传统BST器件在可调性、基底适配性和柔性化方面存在显著瓶颈。近期，东南大学机械工程学院张辉教授指导的博士生毛飞龙在《Applied Physics Letters》《Applied Physics Express》等期刊连续发表三项重要研究成果，通过材料设计、工艺优化和器件结构创新，系统性突破BST电容器性能极限和应用领域局限，为高频通信、可穿戴电子等前沿领域提供全新解决方案。
1、超可调BST电容器：电容可调率和低损耗全能兼顾
研究团队提出一种金属-铁电-半导体-铁电-金属（MFSFM）电容器，通过耦合铁电场效应与半导体场效应，突破传统铁电器件在电容可调率和低损耗间无法兼顾的局限。所制备的MFSFM电容器在40V偏压下实现可调性n值（Cmax/Cmin）超过90，同时Q因子高达1000，性能远超传统夹层结构（MFM）电容器。该器件采用磁控溅射直接在硅基底上制备BST薄膜，无需特殊基底可与CMOS工艺兼容，为可调滤波器与射频集成电路的大规模集成铺平道路。相关论文：《Ultra-tunable dielectric capacitors enhanced by coupling ferroelectric field effect and semiconductor field effect》（Appl. Phys. Lett. 2024）
图1 铁电场效应与半导体场效应耦合增强超可调BST薄膜电容器
2. 基于铌酸锂基底BST电容器：高频声波滤波器可调核心
针对5G/6G通信对高频可调声波滤波器（SAW）的迫切需求，团队在Y切铌酸锂（LiNbO3）基底上制备出高性能BST薄膜。通过优化溅射条件（700℃高温沉积）与退火工艺（780℃氧空位填充），在保证大介电常数与低损耗的同时，在5V偏压下实现300%的介电可调性。研究指出，铂电极与BST薄膜的晶格匹配显著降低界面应变，而原位高温退火工艺有效抑制漏电流，为GHz频段可调声波滤波器提供了高可调、低损耗的核心材料。相关论文：《Wide-range tunable Ba0.7Sr0.3TiO3 films capacitors on LiNbO3 substrates》（Appl. Phys. Express, 2022）
图2 LiNbO3基片上宽电容范围可调的Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜电容器
3. 柔性BST可调电容器：无机材料实现可折叠射频器件突破
在柔性电子领域，团队开发出基于超薄云母基底（50μm）的柔性BST电容器。通过氮气退火工艺优化薄膜结晶质量，器件在弯曲半径3mm时仍保持介电常数超过1000、可调性70%，且GHz频段Q因子突破1000。经过24,000次弯曲疲劳测试后，电性能衰减低于3%，机械稳定性达到国际领先水平。该成果可为虚拟现实设备、可折叠手机天线等提供了高可靠性解决方案。相关论文：《A tunable high-Q flexible ferroelectric film capacitor for GHz RF applications》（Appl. Phys. Lett. 2024）
图3 面向GHz射频应用的可调谐高Q柔性BST薄膜电容器
4. 技术融合与未来展望
三项研究成果分别从场效应耦合、基底工程和柔性化设计切入，针对半导体、压电、柔性电子应用领域，形成覆盖材料制备、器件设计与系统集成的全面创新。未来，团队计划进一步探索BST材料在其它新兴场景下的应用潜力，并开发多物理场耦合器件，以满足6G通信、智能传感等领域对高性能射频器件的需求。以上研究得到了国家重点研发计划（2022YFB3404300）和国家自然科学基金（52272433）（11874110）的支持。
供稿人 张辉