Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Eingang zum Volltext

Lizenz

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-27880
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2788/


Paul, Florian

Dotierte Ba0,6Sr0,4TiO3-Dickschichten als steuerbare Dielektrika: Pulversynthese und dielektrische Eigenschaften

Doped Ba0,6Sr0,4TiO3 thick-films as tunable dielectrics : powder synthesis and dielectric properties

Dokument1.pdf (18.322 KB) (md5sum: 6175f9b52c36b540a5ebbc0cf2da70ea)

Kurzfassung in Deutsch

Das Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial von siebgedruckten Dickschichten auf Basis des
keramischen Systems Ba0,6Sr0,4TiO3 (im undotierten, wie dotierten Zustand) für den Einsatz
als elektronisch steuerbare funktionelle Schichten bis etwa 40 GHz zu ergründen.
Dabei stand der Einfluss der Präparation auf die dielektrischen Eigenschaften im Hochfrequenz als
auch im Niederfrequenzbereich im Fokus dieser Arbeit. Es sollten Beziehungen zwischen
der chemischen Zusammensetzung und den dielektrischen Eigenschaften bzw. zwischen dem
Gefüge und den dielektrischen Eigenschaften aufgestellt werden. Die für die Untersuchung nötigen,
feinskaligen keramischen Ausgangspulver wurden über eine Soltrocknungsroute durch
Gefriertrocknung hergestellt. Diese Route ist äußerst flexibel in Bezug auf die herstellbaren
Stöchiometrien der Pulver. Es zeigte sich, dass die Einfriergeschwindigkeit und die Solzusammensetzung
einen entscheidenden Einfluss auf die Morphologien der resultierenden Precursor-
Strukturen hat. Die thermische Zersetzung der resultierenden Ba/Sr-Ti-Oxo-Acetatgele wurde
ebenso wie das Gelbildungsverhalten eingehend untersucht. Die Gelbildung wird sehr wahrscheinlich
ausschließlich von den Ti-Kationen als polymerbildendes Glied getragen.
Die thermische Zersetzung folgt einem rein thermischen Zerfallsprozess, der über ein Ba/Sr-
Oxo-Karbonat als intermediäre Zwischenphase zum keramischen Pulver führt. Die resultierenden
Pulver liegen ab 700C kristallin vor und sind hart agglomeriert, mit einer mittleren Primärpartikelgröße
von ca. 40 nm. Sie lassen sich mittels Ultraschall auf Agglomeratgrößen im
nm-Bereich herunterbrechen.
Aus den gewonnenen keramischen Pulvern wurden Siebdruckpasten mit einem Feststoffgehalt
von etwa 17 Vol% hergestellt, aus denen mittels Siebdruck Dickschichten auf polykristallinen
Al2O3-Substraten hergestellt wurden.
Die hergestellten Dickschichten zeigten Porositäten im Bereich von etwa 20 bis 40 %. Die
Korngrößen liegen im Bereich von 270 bis 520 nm. Unterschiedlich behandelte Schichten wurden
durch eine erhöhte Kalzinationstemperatur oder durch Mikrowellensintern hergestellt.
Es ließen sich grundsätzliche Aussagen für die Haupteinflussgrößen auf die dielektrischen
Eigenschaften von undotierten und dotierten BST-Dickschichten ableiten:
• Die Kristallinität und die damit verbundene Korngröße haben den größten Einfluss auf die
Permittivität, Steuerbarkeit und Güten von undotierten Schichten.
• Die dielektrischen Verluste nehmen mit der Frequenz zu und werden in Donator- und undotierten
Schichten durch ein externes Steuerfeld stark beeinflusst. Sie sind im HF-Bereich zu
einem großen Teil extrinsischer Natur und resultieren u. a. von adsorbiertem Wasser.
• Die Reinheit hat bei dem hier untersuchten geringen Verunreinigungsgrad der Schichten keinen
signifikanten Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften der undotierten Dickschichten.
• Eine Donatordotierung führt im NF-Bereich zu einer erhöhten Permittivität und Steuerbarkeit,
allerdings wird dadurch auch der Verlust erhöht. Im HF-Bereich ist deren Permittivität und
Steuerbarkeit vergleichbar mit undotierten Schichten.
• Eine Akzeptordotierung erniedrigt die Permittivität, die Steuerbarkeit und die Verluste drastisch.
Zusätzliche Fluoridierung erhöht selektiv und deutlich die Permittivität und im NFBereich
auch die Steuerbarkeit. Im HF-Bereich konnte dies nicht zweifelsfrei gezeigt werden.
Diese Ergebnisse zeigen erstmals, dass eine thermisch hohe Vorbehandlung der Pulver und
ein Sintern der Schichten mittels Mikrowellen zu einer bedeutenden Erhöhung der Leistungsfähigkeit
von undotierten BST-Dickschichten bei Raumtemperatur führt. Weiterhin besteht ein
hohes Anwendungspotenzial für die fluoridierten, neuartigen Schichten in
der drahtlosen Kommunikation (Mobil-/ Satelittenfunk, RFID, Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-
Multipunktsysteme) bei Frequenzen unter 10 GHz.


Kurzfassung in Englisch

The aim of this PhD-project was to evaluate the potential of screen-printed thick-films on the
basis of the ceramic system Ba0,6Sr0,4TiO3 (in the undoped and in the doped state) for the use
as electronically tunable functional layers at frequencies up to 40 GHz.
The influence of the preparation step on the dielectric properties of the thick films in the high
frequency as well as low frequency ranges was in the focus of this work. Within this scope
correlations between the chemical composition and the dielectric properties and/or between the
microstructure and the dielectric properties should be set up. The powders nescessary for this
project were synthesized via a sol-drying process utilizing the freeze-drying technique. This
route is extremely flexible regarding the stoichiometry of the powders. It was shown that the
freezing speed and the composition of the sol have a crucial influence on the morphologies of
the resulting precursor structures. The thermal decomposition of the resulting Ba/Sr Ti-oxo-acetate-
gel as well as the gel-forming process were studied in detail. The gel-forming process is
very probably driven exclusively by the Ti-cations.
The thermal decomposition follows a purely thermally controlled decay process, which leads
to the ceramic powder by forming a Ba/Sr-oxo-carbonate as an intermediate phase. The resulting
powders are agglomerated, exhibit a primary particle size of approx. 40 nm and are crystalline
from 700C on. They can be broken down to agglomerates with sizes in the nm range by means
of ultrasonic treatment.
The synthesized ceramic powders were used to prepare pastes with a solid content of approximately
17 Vol%. The pastes were screen-printed onto polycrystalline Al2O3 substrates to
form thick-films. The sintered thick-films showed porosities in the range of approximately 20
to 40 %. The grain sizes ranged from 270 to 520 nm. To form differently treated films different
calcination temperatures of the ceramic powders or microwave sintering were employed
The main influences on the dielectric properties in undoped and doped BST thick films could
be worked out:
• Crystallinity and the associated grain size have the largest influence on permittivity, tunability
and figure of merit in undoped films.
• The dielectric losses in undoped and in donor-doped films increase with frequency and are
strongly affected by an external E-field. In the RF-range they are predominately of extrinsic
nature and result mainly from adsorbed water.
• The purity, in the range as examined here, does not have a significant influence on the dielectric
properties of undoped thick-films.
• Donor doping leads to an increased permittivity and tunability within the low frequency range,
however this also increases the loss. In the RF-range permittivity and tunability of donor doped
films are comparable to those of undoped films.
• Doping with acceptor decreases permittivity, tunability and the losses drastically at both low
and high frequencies. An additional fluoride-doping leads to a selective increase of permittivity.
It is only in the low frequency range that the tunability is also increased. Due to the measurement
set-up doubt remains when applying aforementioned properties to the RF-range.
These results show for the first time, that a high thermal treatment of the powders and sintering
the films by means of microwaves can have a crucial impact on the room temperture performance
of undoped BST thick-films. Furthermore the novel codoping by iron and fluoride-ions
leads to a considerable reduction of losses in the RF-range.
This performance opens up the field for a range of applications of such films particularly in
the frequency range below 10 GHz, covering frequencies of the wireless communications sector.


SWD-Schlagwörter: Werkstoffkunde , Steuerbarkeit , Titanate , Hochfrequenztechnik , Dotierung , Dielektrisches Schichtsystem , Dielektrikum
Freie Schlagwörter (deutsch): Dickschichten , Siebdruck
Freie Schlagwörter (englisch): materials science , microwave dielectrics , tunability , thick films , titanate , screen-printing
PACS Klassifikation precipitat , 81.20.Fw , 77.22.Ch , 77.80.-e
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Haußelt, Jürgen (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.07.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 08.02.2007
Indexliste