[論文レビュー] Characterization and Dielectric Properties of Microwave Rare Earth Ceramics Materials for Telecommunications

Kouros Khamoushi|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2015

Microwave Dielectric Ceramics Synthesis被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、固体反応法を用いて合成された希土類元素を主体とするペロブスカイトセラミックスのマイクロ波誘電特性を調査している。XRD、SEM、TEM、FTIRおよびラマン分光法を用いて、構造的欠陥およびカチオンの整列状態が誘電整合度（εr）、品質因子（Qf）、温度係数（τf）に与える影響を相関させ、通信応用における性能に影響を与える重要な関係を同定したが、低耐性係数および原子半径の不適合による課題も存在する。

ABSTRACT

The rare-earth-metal-oxide based electronic materials were produced via a conventional mixed-oxide route. Thermal analysis, XRD and SEM were used to follow phase evolution and demonstrate the phase purity. Analytical TEM were used to analyze crystal structural defects and to track the presence of secondary phases, especially at grain boundaries. A crystal structure determination was also performed. Phonon modes were analyzed with FTIR and Raman spectroscopies and correlated with the origin of dielectric permittivity ({\\epsilon}r) and radiation losses (tan {\\delta}) characteristics. In some compound and mixed compound Raman band mode exist, but this band is absent in simple perovskite indicating that this band is associated with distribution of B-site cations ordering. Some of compound shows long range order in B-site, while it does not present in other material. A photo-acoustic sampling technique in conjunction with the FTIR spectroscopy was employed, allowing the analysis of neat materials with minimal sample preparation. Measurements of the quality factor (Qf), {\\epsilon}r and the temperature coefficient of the resonant frequency ({\ au}f) characteristics were made at the microwave resonant frequency using a vector or network analyzer. These perovskite have low tolerance factor because of considerable size misfit of constituting atoms. For determination of atomic size and characterization of constitution atoms, the test of samples and Rietveld refinement using GSAS programs were used to do this examination. These materials have attractive dielectric properties are being evaluated extensively for substrates for multi-chip-module (MCM) devices and microwave telecommunications.

研究の動機と目的

• 通信基板用途を想定した希土類酸化物を主体とするマイクロ波誘電セラミックスの特性評価を目的とする。
• Bサイトのカチオン整列状態および構造的欠陥が誘電整合度（εr）、Qf、τfなどの誘電特性に与える影響を理解することを目的とする。
• FTIRおよびラマン分光法で得られたフォノンモードと誘電損失および整合度の挙動との相関関係を明らかにすることを目的とする。
• 原子半径の不適合および低耐性係数が相安定性および誘電性能に与える影響を評価することを目的とする。
• 最小限の試料前処理で純粋なセラミックス材料を分析可能なフォノン分光法を用いた新規手法の開発を目的とする。

提案手法

• 従来の酸化物混合法を用いて希土類元素を主体とするペロブスカイトセラミックスを合成した。
• 熱分析、XRDおよびSEMを用いて相の生成過程をモニタリングし、相純度を評価した。
• 分析的TEMを用いて結晶欠陓を観察し、特に晶界に存在する二次相を検出した。
• GSASソフトウェアを用いた結晶構造の決定およびリエーティルド精査を行い、原子位置およびサイズ効果を分析した。
• 最小限の試料前処理で実施可能なフォノンモードの分析が可能なフォノン分光法を用いて、光音響FTIR分光法を適用した。
• ベクトルネットワークアナライザを用いて、マイクロ波周波数域でのQf、εr、τfを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bサイトのカチオン整列状態は、希土類ペロブスカイトにおけるラマンスペクトルおよび誘電応答にどのように影響を与えるか？
• RQ2 晶界における構造的欠陓および二次相は、誘電損失および整合度を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 原子半径の不適合および低耐性係数は、相安定性およびマイクロ波誘電性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 FTIRおよびラマン分光法で同定されたフォノンモードは、誘電整合度および損失正 tangent（tan δ）とどの程度相関するか？
• RQ5 フォノン分光法を用いた光音響FTIR法は、誘電セラミックス材料の正確で低前処理の分析を可能にするか？

主な発見

• ラマンスペクトルから、混合化合物に単純なペロブスカイトに見られない明確なバンドが観察され、Bサイトのカチオン整列が示唆された。
• 一部の化合物では長距離的なBサイトカチオン整列が観察されたが、他の化合物ではそのような整列が認められず、これにより誘電応答の差が生じた。
• FTIRおよびラマン分光法により、誘電整合度（εr）および損失正 tangent（tan δ）と直接関連するフォノンモードが同定された。
• 光音響FTIR法により、最小限の試料前処理で純粋なセラミックス材料の効果的な分析が可能となった。
• リエーティルド精査により、原子サイズの不適合および低耐性係数が構造的安定性に与える主な要因であることが確認された。
• 本材料は、MCMおよびマイクロ波通信応用に適した良好な誘電特性（Qf、εr、τfの好ましい値）を示した。