[논문 리뷰] Characterization and Dielectric Properties of Microwave Rare Earth Ceramics Materials for Telecommunications

Kouros Khamoushi|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 15.

Microwave Dielectric Ceramics Synthesis인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고체상 반응 공정을 통해 합성한 희토류 기반 퍼보스카이트 세라믹스의 마이크로파 전기적 특성을 조사한다. XRD, SEM, TEM, FTIR 및 라만 분광법을 사용하여 구조적 결함과 치환 이온 정렬이 유전율(εr), 품질 인자(Qf), 온도 계수(τf)와 어떻게 관련되어 있는지를 분석하며, 낮은 내성 계수와 원자 크기 불일치로 인한 과제에도 불구하고 통신 응용 분야에서의 성능에 영향을 주는 핵심적 상관관계를 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통신 기판용으로 사용하기 위한 희토리움 산화물 기반 마이크로파 유전 세라믹스의 특성을 규명하기 위해.
• B-위치 이온 정렬과 구조적 결함이 유전율(εr), Qf, τf와 같은 유전 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• FTIR 및 라만 분광법으로 확인된 진동 모드가 유전 손실 및 유전율 거동과 어떻게 관련되어 있는지 규명하기 위해.
• 원자 크기 불일치와 낮은 내성 계수의 영향이 상 안정성과 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 순수 세라믹 물질에 대한 최소한의 시료 준비로 분석이 가능한 광음향 FTIR 기법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 기존의 혼합 산화물 고체상 반응 공정을 사용하여 희토류 기반 퍼보스카이트 세라믹스를 합성하였다.
• 열분석, XRD 및 SEM을 활용하여 상의 진화를 모니터링하고 상 순도를 평가하였다.
• 분석적 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 결정 결함을 관찰하고, 특히 격자 경계에서의 제2상 존재 여부를 확인하였다.
• GSAS 소프트웨어를 사용하여 결정 구조 결정 및 Rietveld 보정을 수행하여 원자 위치와 치수 효과를 분석하였다.
• 최소한의 시료 준비로 유전자 모드를 연구하기 위해 광음향 FTIR 분광법을 적용하였다.
• 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 마이크로파 주파수에서 Qf, εr 및 τf를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B-위치 이온 정렬은 희토리움 퍼보스카이트에서 라만 스펙트럼과 유전 응답에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 격자 경계에서의 구조적 결함과 제2상은 유전 손실과 유전율을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 원자 크기 불일치와 낮은 내성 계수는 상 안정성과 마이크로파 유전 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 FTIR 및 라만 분광법으로 규명된 유전자 모드는 유전율과 손실 탄젠트와 얼마나 관련되어 있는가?
• RQ5 광음향 FTIR는 마이크로파 유전 세라믹스 물질에 대해 정확하고 최소한의 준비로 분석이 가능한가?

주요 결과

• 라만 스펙트럼은 단순 퍼보스카이트에서 관찰되지 않았던 특이한 피크를 혼합 화합물에서 확인하여 B-위치 이온 정렬의 존재를 시사한다.
• 일부 화합물은 장거리 B-위치 이온 정렬을 보였고, 다른 일부는 그러한 정렬이 없었으며, 이는 유전 응답의 차이와 관련이 있었다.
• FTIR 및 라만 분광법은 직접적으로 유전율(εr)과 손실 탄젠트(tan δ)와 관련된 유전자 모드를 규명하였다.
• 광음향 FTIR 기법을 통해 최소한의 시료 준비로 순수 세라믹 물질에 대한 효과적인 분석이 가능하였다.
• Rietveld 보정을 통한 분석에서 원자 크기 불일치와 낮은 내성 계수가 구조적 안정성에 영향을 주는 주요 요인임을 확인하였다.
• 이들 물질은 MCM 및 마이크로파 통신 응용 분야에 적합한 유리한 Qf, εr 및 τf 값을 보이며 매력적인 유전 성능를 나타내었다.