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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
www.kit.eduKIT – The cooperation of Forschungszentrum Karlsruhe GmbH and Universität Karlsruhe (TH)
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
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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)
5 | J.R. Binder | IMF III | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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
6 | J.R. Binder | IMF III | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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
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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
8 | J.R. Binder | IMF III | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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
10 | W. Menesklou | IWE | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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
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(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.
12 | W. Menesklou | IWE | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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)
13 | W. Menesklou | IWE | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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
14 | W. Menesklou | IWE | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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]
15 | W. Menesklou | IWE | Steuerbare Materialien | 18.06.2008
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