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Prozess- und Dotierungseinflüsse auf Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten für steuerbare Mikrowellenkomponenten

Zhou, Xianghui :
Prozess- und Dotierungseinflüsse auf Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten für steuerbare Mikrowellenkomponenten.
TU Darmstadt / Elektrotechnik und Informationstechnik
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Prozess- und Dotierungseinflüsse auf Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten für steuerbare Mikrowellenkomponenten
Language: German
Abstract:

Ziel dieser Arbeit war die Erarbeitung von Prozess- und Dotierungeinflüssen auf die Morphologie und dielektrischen Eigenschaften der siebgedruckten Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten. Dabei stand die Erklärung der Beziehungen zwischen dem Gefüge und den dielektrischen Eigenschaften bzw. zwischen der chemischen Zusammensetzung und den dielektrischen Eigenschaften im Fokus.

Unterschiedlich behandelte Schichten wurden durch erhöhte Kalzinationstemperaturen, Verwendung unterschiedlicher Mahlprozesse, Variation der Sinterbedingungen und/oder Verwendung der verschiedenen Akzeptordotierungen hergestellt. Die mittleren Korngrößen d50 der Dickschichten liegen im Bereich von 0,27 µm bis 0,56 µm. Durch die Verwendung einer Pulvermischung aus zwei unterschiedlich feinen Pulvern kann eine niedrige Porosität von 25% in Co-F dotierten Dickschichten erzielt werden.

Die Permittivitäten der Schichten liegen im Bereich von 170 bis 392 bei f = 10 GHz im ungesteuerten Zustand. Dabei zeigt die Kalzinationstemperatur und die damit verbundene Korngröße den Haupteinfluss auf die Permittivität der Schichten.

Die (Fe, Co, Ni, Cu)-F Kodotierungen zeigen einen unterschiedlichen Einfluss auf die Korngröße und die Permittivität der Dickschichten. Des Weiteren zeigen die mikrowellengesinterten Schichten eine leicht erhöhte Permittivität bei der gleichen Sintertemperatur und Sinterzeit.

Der Verlustfaktor der Schichten ist stark frequenzabhängig im untersuchten Bereich von 5 bis 40 GHz. Eine deutliche Erniedrigung der dielektrischen Verluste kann bei den Fe-F, Co-F und Ni-F dotierten Dickschichten im Vergleich zu den undotierten Schichten bei gleicher Frequenz beobachtet werden.

Während die Korngröße einen großen Einfluss auf die Permittivität hat, spielt die chemische Zusammensetzung für den Verlust der Dickschichten eine wichtige Rolle. Erwähnenswert sind die Cu-F dotierten Schichten, die keine Verschiebung des Curie-Punkts und keine Verringerung des Verlusts aufweisen. Es wird vermutet, dass die Cu-Ionen nicht ins Kristallgitter eingebaut werden und lediglich als Sinterhilfsmittel in der Korngrenze fungieren.

Die Steuerbarkeit der undotierten Schichten lässt sich nicht allein durch die Korngröße, sondern durch das Verhältnis zwischen Korngröße und Sinterhalsgröße beeinflussen. Dieser Effekt kann mit einem Modell aus der Literatur erklärt werden. In den mikrowellengesinterten und den dotierten Dickschichten spielen sehr wahrscheinlich die Defektkonzentration bzw. die chemische Zusammensetzung gleichzeitig eine Rolle für die Steuerbarkeit.

Schließlich wurden erste Versuche zur Entwicklung eines BST-Glaskomposits in Hinblick auf die Erniedrigung der Sintertemperatur durchgeführt, die das Potenzial der hergestellten Kompositschichten für die Anwendung mit LTCC-Substrate aufzeigen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die dielektrischen Eigenschaften der BST-Dickschichten durch die verschiedenen Prozessparameter und die Verwendung verschiedener Dotierungselemente beeinflusst werden können. Dies bietet insbesondere die Möglichkeit, die BST-Dickschichten entsprechend den Anforderungen verschiedener Mikrowellenkomponenten maßgeschneidert herzustellen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of this PhD-project was to investigate the influences of the process und doping on the morphology and microwave properties of screen-printed Ba0.6Sr0.4TiO3 thick films. Thereby, the interpretation of the correlations between the morphology and the microwave properties and/or between the chemical composition and the microwave properties was in the focus of this work. Differently processed thick films were fabricated through increasing calcination temperatures, applying differently grinded powders, adjusting the sintering conditions and/or applying various acceptor-doping. The median values of the grain size ranges from 0.27 µm to 0.56 µm. A low porosity of 25% in Co-F codoped thick films was achieved by applying the powder mixture consisting of a fine- and a coarse-grained powder. The permittivity of the thick films ranges from 170 to 392 at f = 10 GHz in the untuned state. The calcination temperature and its associated grain size have a major impact on the permittivity of the films. The permittivity of the doped thick films depends on the applied doping elements. Futhermore, a slight increase of the permittivity through microwave sintering could be observed compared to the thick films conventionally sintered at the same temperature and duration. The dielectric loss of the thick films shows a strong dependency on the frequency in the range investigated from 5 GHz to 40 GHz. A clear decrease of the loss could be observed at the Fe-F, Co-F and Ni-F codoped thick films. While the grain size influences permittivity obviously, the chemical composition plays an important role for the dielectric loss. The Cu-F doping is worthy of mention, because neither the shifting of curie point nor the reduction of dielectric loss took place. It suggests that the Cu ions can not be incorporated in the crystal lattice and just act as an agent to enhance the sintering. Not the grain size but the ratio of the grain size to neck size has an influence on the tunability of the thick films. This effect can be explained with a published model. In microwave sintered und doped thick films, another impact factor such as the defect concentration und chemical composition may also have an influence on the tunability of thick films. Finally, initial experiments to develop a BST-glass-composite with regard to lowering the sintering temperature of the thick films were carried out. The results show a good potential of the fabricated films for application in LTCC-Technology. All the results indicate that the microwave properties of the BST thick films can be adjusted through various process parameters and doping elements. It is possible to tailor the BST thick films for different requirements of the microwave components.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Microwave Engineering
Date Deposited: 02 May 2012 09:03
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29106
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf and Haußelt, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 9 January 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2910
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