一、实习报告名称
空心玻璃微球表面改性及其对人工介质材料介电性能影响的研究

二、实习起止时间
从2008-8-28起 至2008-9-28止

三、 实习地点
北京有色金属研究总院电子所

四、 实习内容（含原理简介）
本次专业实习过程中，我跟随我的导师进行了空芯玻璃微球表面镀Al并研究人工介质材料介电性能的实验。实验中利用直流磁控溅射法在空芯玻璃微球上镀Al薄膜，并研究了微球镀Al膜的厚度和镀膜微球加入量对人工介质材料介电性能的影响。

人工介质材料是一种介电常数在一定范围内连续可调的复合介电材料。目前人工介质材料主要采用树脂与导电金属粉、碳黑、TiO2(金红石)、BaTiO3等材料复合制备，该类人工介质材料具有比重大、损耗大等缺点。将镀膜空心玻璃微球作为介质填充到树脂基体中形成一种新型人工介质材料，这种人工介质材料具有介电常数可调、密度小等优点，可用于雷达天线罩和相关微波器件，是航空航天理想的轻质人工介质材料。

磁控溅射：磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内。电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下

图1：磁控溅射原理图

可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。 磁控溅射原理如图1所示：

采用直流磁控溅射法对空心二氧化硅微球表面镀Al薄膜以提高其介电常数。研究镀膜时间对膜厚的影响规律。将镀Al膜微球、未镀膜微球与高分子粘合剂混合制得人工介质材料，在一定频率范围内，测试其介电常数，研究Al膜厚度对镀膜微球加入人工介质材料介电性能的影响。并研究镀Al对微球介电性能的影响，即研究镀膜微球对人工介质材料介电性能的调节性。

真空镀膜：真空镀膜是借助高能粒子轰击所产生的动量交换，把镀膜材料的原子从固体（靶）表面撞出并放射出来。放在靶前面的基材拦截溅射出来的原子流，后者凝聚并形成镀层。阴极发射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与溅射气体原子发生碰撞，电离出大量的正离子和电子, 电子飞向基片,正离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。

4.1 实验
4.1.1 材料
空芯玻璃微球为白色粉末状，粒度为10～70µm，壁厚约为1～2微米，主要成分为SiO2，松装密度为0.13g/㎝3。人工介质材料为环氧树脂。溅射用的Al靶纯度＞99.99%。

4.1.2 制备方法及工艺
试验采用自制直流磁控溅射装置，采用纯度为99.99%的氩气为溅射气体，溅射真空度为0.13 Pa，溅射电流为4A，溅射功率为1400W。溅射过程中采用自制装置保证玻璃微球表面能够全部均匀的沉积金属Al。

4.1.3 波导试样的制备
将镀Al膜的玻璃微球与高分子粘合剂（环氧树脂加聚酰胺）混合，固化后获得波导法介电常数测试片样品，采用HP8510B网络分析仪进行介电常数测量，工作方式为扫频测量，频率范围为8.2～12.4GHz。

4.2 结果及讨论
4.2.1 表面镀Al形貌及分析

图2：溅射后稍描电镜图片

磁控直流溅射镀Al膜的玻璃微球的平均膜厚约为１５nm 。微球呈规则球状，粒度分布范围为20～70µm，玻璃微球被Al金属膜包覆。在本实验所进行的溅射时间内，没有出现脱落现象。溅射后的扫描电镜图片如图2所示：

4.2.2 溅射时间与镀膜厚度的关系
玻璃微球的粒度较小，比表面积较大，镀Al膜微球的平均膜厚采用以下公式进行计算：

式中：t为平均膜厚，nm；W为镀膜金属增重，%（ICP光谱法测得）；D为镀膜金属的密度，g/㎝3（Al，2.7 g/㎝3）；S为玻璃微球的比表面积，m2/g（1.16 m2/g）。

Al膜的质量分数（Al/镀膜微球）以及膜厚基本上随着时间的增加而增加。由于Al膜膜厚的增加相对于玻璃微球的直径来说变化很小，所以微球的比表面积的变化可忽略不计，本实验中发现微球膜厚的增加与时间基本成线性关系。

4.2.3 镀Al微球对人工介质材料介电性能的影响
经过多次实验，通过改变镀Al膜厚度，镀膜微球含量来测试人工介质材料介电性能，结果列于表１：

表１：人工介质材料介电常数测试数据

从上表中可以看出，镀Al膜的厚度增加，介质材料的介电常数增大；镀Al膜微球的含量增加，介质材料的介电常数增大。

4.3 结论
1、采用磁控溅射方法对空芯玻璃微球进行镀Al，可以得到表面沉积完整的Al膜。

2、在频率为8.2～12.4GHz范围内，镀Al微球介质材料的有效介电常数的实部e¢表现出很好的频率稳定性，e¢随着膜厚和镀Al微球含量的增加而增加。

参考文献：

1、薄膜材料与薄膜技术，郑伟涛，等，化学工业出版社，2004年

2、空芯微珠表面改性及其吸波特性[J]，葛凯勇，王群，毛倩瑾，等，功能材料与器件学报，2003，9（1）：108

3、薄膜技术.顾培夫著.浙江大学出版社

4、空芯玻璃微球表面改性及其节电性能研究[J]，李寅彦，毛昌辉，杨志民，杜军，唐群，稀有金属报，2005，Vol.29, No.3

五、 实习总结
在本次专业实习过程中，我跟随我的导师进行了空芯玻璃微球表面镀Al的实验。实验中利用直流磁控溅射法在空芯玻璃微球上镀Al薄膜，测试其介电性能。

研究了微球镀Al膜的厚度和镀膜微球含量对人工介质材料介电性能的影响。

实验分析表明：①镀Al膜的厚度增加，介质材料的介电常数增大；②镀Al膜微球的含量增加，介质材料的介电常数增大；③可以调节人工介质材料介电常数；④介电损耗小。

在本次专业实习过程中，

1、了解介电材料，人工介电材料。

2、磁控溅射对空芯玻璃微球进行镀膜的方法，学会了真空粉体镀膜机的原理及操作方法。

3、波导法介电常数测试片样品的制作及对该样品进行介电常数测试的方法。

4、研究了镀膜微球的膜厚、加入量对人工介质材料节介电性能的影响。