Neue nichtlineare Dielektrika für die ... - kit.edu€¦ · KIT – The cooperation of Forschungszentrum Karlsruhe GmbH and Universität Karlsruhe (TH) ... Theory Model Parameters

2. Treffen des Kompetenzfeldes 5Applied and New Materials

9. Juli 2009

Neue nichtlineare Dielektrika für die Kommunikationstechnologie

J. R. Binder1), W. Menesklou2), H. Geßwein1), X. Zhou1)

1) Institut für Materialforschung III1) Institut für Materialforschung III2) Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik

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Steuerbare Mikrowellendielektrika

Motivation: Entwicklung neuer Konzepte und Designs für passive elektronisch steuerbareDesigns für passive, elektronisch steuerbare HF-Bauteile

Steuerbarkeit:R li i

Systemε

r Δεr(E)Steuerbarkeit:Realisierung & Integration

Mik )0()(

=Δ

=E

Er

εετ

E

r( )

nichtlineare Abhängigkeit der Permittivität von einem externen elektrischen Feld ESimulation

Mikro )0(Erε E

AnwendungsbereichMobilfunk

Meso-4

-2

0

B)

Equivalent Bandwidth

Mobilfunk(GSM, UMTS, W-LAN)z.B. steuerbareMultiband Antennen →

Prozessierung

-12

-10

-8

-6

ion Co

efficient (d

B

Multiband Antennen →

kontaktlose Sensorik(RFID)

NanoAtomar

0.9 1.0 1.1 1.2

-18

-16

-14 0 V50 V90 VRe

flecti

( )(RFID) Frequency (GHz)

Anwendungen steuerbarer Dielektrika

Demonstrator eines steuerbaren Anpassnetzwerkes

Simulation der Effizienzsteigerung bei der Bewegung eines Mobiltelefons durch eine Stadt. Das Mobiltelefon muss sich dabei an verschiedene Frequenzbänder und Standards anpassen.

3 | J.R. Binder | IMF III | Steuerbare Materialien | 18.06.2008

Das Mobiltelefon muss sich dabei an verschiedene Frequenzbänder und Standards anpassen.

Anwendungen steuerbarer Dielektrika

Steuerbares AnpassnetzwerkSteuerbares Filter PhasenschieberpLeitungsgebundener

Phasenschieber

Multiband Antenne RF-ID Modulator Linkshändiger Phasenschieber

Ant

enne

Phasenschieber

µC

Jede Anwendung hat Ihre eigenen spezifischen Anforderungen an Material, Prozessierung und Integration


Prozessierung und Integration

Synthese von dotiertem Ba0,6Sr0,4TiO3

Barium(II) acetat Strontium(II) acetat Titan(IV)-Barium(II)-acetat Strontium(II)-acetat ( )isopropanolat

4

Lösung in Essigsäure

6 10

Sol +H2O Dotierungen

metallorganischerP

Ta(OC2H5)5

Fe(NO3)3Precursor

K i h P l

( 3)3

CF3COOH

Keramisches Pulver (Ba0,6Sr0,4Ti1-yMeyO3-zFz)


Vom Pulver zur BST-Dickschichtkomponente

BST P lBST Pulver

MahlenP t h t ll

Siebdruck

Pastenherstellung200 nm

Konventioelles SinternMikrowellensintern

BST Dickschicht

Cr/Au seed layer

Planare Strukturen

Cr/Au seed layerLithographie + Au plating

Planare Strukturen


Dotierte Ba1-xSrxTiO3-Pulver

Akzeptor / Donator Dotierungen

Untersuchte Dotierungselemente: Fe, Ta und Me/F (z.B. Fe)

F & F /F D ti i ifik t V b t δFe- & Fe/F-Dotierungen → signifikante Verbesserung von tanδ

F- & Fe/F-Dotierungen → Änderungen im Kristallgitter10 nm

0 120,14 BST thick film

( d d)n δ

0,080,100,12

δ

(undoped)

osse

s ta

n

0 020,040,06,

tanδ

BST thick film(doped)el

ectri

c lo

10 15 20 25 30 35 400,000,02

f [GHz]

(doped)die

frequency f / GHz


f [GHz]frequency f / GHz

Dotierte Ba1-xSrxTiO3-Pulver

Akzeptor / Donator Dotierungen

Fe/F-Dotierungen → verbesserter commutation quality factor nur mit Fe/F

F /F D ti V b d f it h d Fl id h ltFe/F-Dotierungen → Verbesserung des cqf mit zunehmenden Fluoridgehalts

Fluoridanteil im BST ist limitiert BST118 Hist 1

Lambda 1 5405 A L S cycle 138 Obsd and Diff Profiles

BST119 900C Hist 1

Lambda 1 5405 A L S cycle 140 Obsd and Diff Profiles

100#1K

Lambda 1.5405 A, L-S cycle 138 Obsd. and Diff. Profiles

X10u 4

0

Ba0,6Sr0,4 Ti0,99Fe0,01O2,95F0,05

Lambda 1.5405 A, L-S cycle 140 Obsd. and Diff. Profiles

X10u 4

5 2.0

Ba0,6Sr0,4 Ti0,99Fe0,01O2,90F0,10Ba0,6Sr0,4 Ti0,99Fe0,01O2,50F0,50

50

75#1 #2 #3#4Kty

fact

or K

X

2.

X

1.0 1.

BaF+ Ba4Ti13O30

(Ba,Sr)F2

BST

+ BaxTiyOz

25

50 #4 #5

T = 20 °Cf = 15 GHzm

m. q

ualit

1.0

0.5 BaF2

BaxTiyOz

0 20 40 60 80 1000

U / V

f 15 GHz

com

oltage U / V

Counts

20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0

0.0

Counts

20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0

0.0


U / Vvoltage U / V 2gH, deg 2gH, deg

Elektrische Leitfähigkeit von BST-Keramiken vs. pO2 und Dotierung bei 800 °Cp 2 g

Bildung von Sauerstoffleerstellen

xO O 2

12

O V 2e' O••↔ + +

O 2 ( )[V ] [ ] Tn² O K•• ⋅ ⋅ =

MWG

/[ ] 2 [V ] [ ]F F

Ladungsneutralität

•• •+ ≈ ⋅ + +/Ti O O[ ] 2 [V ] [ ]Fe n F p

2( ,[ ]) ( ) 2( [ ] )mT O Te n e K Oσ μ μ= =

Leitfähigkeit

Einbau von Fluor als Donator-Dotierung nachgewiesen•O[ ]F

9 | W. Menesklou | IWE | Steuerbare Materialien | 18.06.2008

Dielektrische Charakterisierung im kHz-Bereich

Plattenkondensator-Anordnung 1 Hz 100 kHz -150°C 180°C

Permittivität vs. Temperatur und Feldstärke an BST601 Hz … 100 kHz, -150 C … 180 C und Feldstärke an BST60

E / kV/mm 1 kHz

AuDC

AuDC 8000

10000

tetragonal

E / kV/mm 0.0 0.8 1.21.6

1 kHzcubic

M4000

6000

orthorhombic

tetragonal

εr

2.4 4.0

Al2O3dielectric

Al2O3dielectric

0

2000rhombohedral

PtPt 150 200 250 300 3500

T / K

Alpha High ResolutionDielectric Analyzer (Novocontrol)

MesswerteModell


Modell nach Vendik

Model Parameters for BST60Theory

2 4F F P Pβα= + +

Ginzburg and Devonshire:

( )T CT Tα α= −

ΘF: Eff. Debye temperature (175K)TC: Curie temperature (270K)

0 2F F P Pα= + + ( )T CT Tα α=

3 3 ( ) 2 0y T yη ξ+ − =

ε00: Analogue Curie constantEN, DN: Normalizing field/displacement

003dcQyD A

ε=2 2

( ) 14

F TTT T

η⎛ ⎞ ⎛ ⎞Θ

= + −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

ξS: statistical dispersion of the biasing field generated by defects, inhomogeneities,

ND A 4 C CT T⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ structure damages.

0.01 – 0.05 for single crystals 0 1 1 5 for ceramics2

22( ) SN

EEE

ξ ξ= + 32

0 00

2

(3 )

NN

DEε ε

=

[O.G. Vendik, S.P.Zubko, Ferroelectric phase transition and maximum dielectric permittivity of displacement type

0.1 – 1.5 for ceramics

maximum dielectric permittivity of displacement type ferroelectrics (BaxSr1-xTiO3), J. of Appl. Phys. Vol. 88, No. 9, 5343] P: polarization, F: free energy density

T: temperature; E: biasing field


(Vendik-) Modell-Parameter für dotiertes BST60

ξS: 0.01 – 0.05 for single crystals, 0.1 – 1.5 for ceramics

BST60 UndotiertKeramik Dick-S.

1 % FeKeramik Dick-S.

1% Fe - FKeramik Dick-S.

f

TC / K (±3) 270 230 250 220 215 217TC / K (±3) 270 230 250 220 215 217

ε00 (±10) 178 165 440 160 282 161

ξS (±0.005) 0.01 0.08 0.009 0.15 0.25 0.12

10 kHz

EN / kV/cm (±50) 580 310 160 400 50 200Emax / kV/cm 6 27 4.7 19 5.4 27

tanδ (22 °C, E=0) 0.01 0.003 0.06 0.005 0.002 0.005τ(22°C, E=4.5 kV/cm)τ (22°C, E=100 kV/cm)

0.020.46

0.0450.3

0.0580.49

tanδ (22 °C, E=0) 0.07 0.03 0.03 10 GHzτ (22 °C, E=100 kV/cm) 0.32 0.17 0.21

Fluor erhöht Steuerbarkeit bei „niedrigen“ Verlusten.


Modellierung der Mikrowellenverluste

εr and tanδ of Fe-F-doped BST60 Thick Film Complex Dielectric Constant

400 0,20

00

41

1

( , , , )( , , ) ( , , , )

S

S q S

T EG T E T E

εε ξ ω

ξ ξ ω−=

+ Γ∑

350 0V/µm ; 4.68V/µm ; 9.36V/µm

0,15

1q=

1( , , )SG T E ξ− Real part of Green function

300 ε r

tan

0,10( , , , )q ST E ξ ωΓ Loss mechanism

Loss by charged defects:250

δ

0,05 233

3

( , , , )1

S SAT Ei

ξ ω ξωω

Γ =+

Loss by charged defects:

0 10 20 30 40 50200

f / GHz

hBST=4.4µm, g=10.68µm, s=18.86µm

0,00[O.G. Vendik, S.P.Zubko, M.A. Nikol’ski, Microwave loss-factor of BaxSr1-xTiO3 as a function of temperature, biasing field, barium concentration, and frequency, J. of Appl. Phys. Vol. 92, No 12 7448 (2002) ]

3ω

No. 12, 7448 (2002).]

A.K.Tagantsev, Appl. Phys. Lett. 76, 1182 (2000)


Mikrowellenverluste in Fe-F-dotiertem BST60

Frequency Dependence and Contribution of Loss Mechanisms

0,1

A3 = 14

A3 = 2Parameters*,

undoped

ged defects

Parameters*

ω00=3.1 ⋅1013 s-1,

ωM=2.6 ⋅1013 s-1,0,01 Fe-F doped charged

tanδ

quasi-debye

ωM 2.6 10 s ,

f2=30 GHz, A2=0.062;

f3=50 GHz; A3=2

1E-3

E = 0BST60 thick filmmultiphonon scattering f4=10 MHz, A4=0.005 [Ve02].

109 1010 10111E-4

E = 0TC = 220 K, ξS = 0.12 (f3=10 GHz; A3=0.05)

*[O G Vendik S P Zubko M A Nikol’ski J of10 10 10f / Hz

[O.G. Vendik, S.P.Zubko, M.A. Nikol ski, J. of Appl. Phys. Vol. 92, No. 12, 7448 (2002).]

Geladene Defekte als Ursache der Mikrowellenverluste in BST60


Fe-F-Defektassoziate

BST60-Keramik 1% Fe 1% Fe-Ff = 1 kHzTC / K ±3 250 215

ε ±10 440 282ε00 ±10 440 282

ξS ±0.005 0.009 0.25

EN / kV/cm ±50 160 50

TiTix Fe ’Ti

xFO

o

tanδ (22 °C, E=0) 0.06 0.002

τ(22 °C, E=4.5 kV/cm) 0.045 0.058

Ebi

FO

/ /{ }Ti O Ti OFe V Fe V+ ii ii i Ebias

/ /{ }xTi O Ti OFe F Fe F+ i i

6-15 cells *[R. Merkle, J. Maier, PCCP 5 (2003) 2297-2303][R. Merkle, J. Maier, PCCP 5 (2003) 2297 2303]


Zusammenfassung und AusblickFlexibles Syntheseverfahren zur Herstellung von nanoskaligen, dotierten BST-Pulvern wurde etabliert

Akzeptor-Donator Kodotierungen verbessern die dielektrischen HF-Eigenschaften von (Ba,Sr)TiO3-Keramiken

Das Fluoridion besetzt eine Sauerstoffleerstelle und wirkt als Donator

Modellhafte Beschreibung der dielektrischen Eigenschaften im kHz-Bereich

Mechanismus der Fe-F-Defektassoziate auf Mikrowellen-Performance offen

W it V ti f d h i Di t ti (B i 01 04 2009)Weitere Vertiefung durch eine Dissertation (Beginn: 01.04.2009)

Thema: Herstellung und Charakterisierung dotierter BaxSr1-xTiO3 Dick- und Dünnschichten als steuerbare Dielektrika für die HochfrequenztechnikDünnschichten als steuerbare Dielektrika für die Hochfrequenztechnik

Elektroden Elektroden

BST Schicht BST Schicht

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