Verlustmechanismen in steuerbaren Mikrowellendielektrika

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Haußelt; Professor Dr.-Ing. Rolf Jakoby
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5428676

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Einsatz des steuerbaren Materialsystems (Ba,Sr)TiO3 in der Mikrowellentechnik wird aufgrund der hohen dielektrischen Verluste deutlich eingeschränkt. Eine deutliche Steigerung der Materialgüte, definiert aus dem Verhältnis von Steuerbarkeit zu Mikrowellenverluste, konnte in der ersten Projektphase durch eine Dotierung des Materials gezeigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden aufbauend auf diesen Ergebnissen die grundlegenden Untersuchungen zu den Verlustmechanismen von BST-Dickschichten und deren Beeinflussung durch Dotierungen mit einem Fokus auf Kodotierungen fortgeführt. Zur Beurteilung der Materialgüte wurden die dielektrischen Kenndaten der untersuchten Materialien über einen weiten Frequenz- und Temperaturbereich aufgenommen. Im folgenden werden die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit zusammenfassend dargestellt: • Durch die Entwicklung eines Simulationsverfahrens basierend auf der Methode der Finiten Differenzen im Zeitbereich (FDTD: engl.: Finite-Difference Time-Domain Method) ist es erstmalig möglich komplexe Mikrowellenkomponenten auf Basis feldstärkeabhängiger dielektrischer Eigenschaften zu simulieren. Das Simulationsverfahren bietet die Funktionalität besonders in planaren steuerbaren Bauelementen die inhomogene Aussteuerung durch den Verlauf des elektrischen Steuerfeldes und der daraus resultierenden feldstärkeabhängigen Permittivität zu simulieren. Die innerhalb dieser Arbeit beschriebenen FDTD Simulationsverfahren sind in der Software NL3D-FDTD (engl.: NonLinear-3DFinite- Differenz Time- Domain) zusammengefasst. Dabei bietet diese Software die Möglichkeit der Berechnung und der Optimierung von zwei- und dreidimensionalen Strukturen wie auch die automatische Extraktion der feldstärkeabhängigen dielektrischen Eigenschaften basierend auf Messergebnissen. Das FDTD Berechnungsverfahren lässt sich dabei sowohl für die Untersuchung von mesoskaligen Problemen im Bereich der Abmessungen des keramischen Gefüges der Dickschicht wie auch für die Berechnung von makroskaligen Bauelementen nutzen. • Bei BST Dickschichten konnte der signifikante Einfluss einer geringen Variation der Sintertemperatur auf die Morphologie der porösen Dickschichten wie auch auf die effektiven dielektrischen Eigenschaften extrahiert werden. Durch die Verwendung eines neuen Simulationsmodells, das die Mikrostruktur dieser Schichten abbilden kann, sind weitere Ansätze für die Optimierung dieser Schichten aufgezeigt worden. • Weiterhin wurde der Einfluss von verschiedenen Akzeptor-Fluorid Kodotierungspaare in BST Dickschichten auf die dielektrischen Eigenschaften im HF-Bereich (5-30 GHz) untersucht. Es zeigten deutliche Unterschiede in den Wirkungen der Dotierungspaare auf Permittivität, dielektrischer Verlust und Steuerbarkeit. So zeigte eine Kupfer-Fluoridkodoteirung überdurchschnittlich hohe Steuerbarkeiten (60% , 16 V/µm) bei allerdings auch deutlich erhöhten Verlusten. • Akustische Resonanzen, angeregt beim Anlegen einer Steuerspannung an die verwendeten unterschiedlichen BST Schichten, sorgen für einen starke Beeinflussung der Bauteilgüten im GHz-Bereich. Zur Untersuchung des Einflusses wurden für die Dickschichten verschiedene Modelle für die Berechnung der Bauteileigenschaften erarbeitet und mit Messungen validiert. Für Varaktoren auf BST Dickschichten konnte dabei erstmalig die breitbandige Reduktion der Varaktorgüte durch akustische Resonanzen aufgezeigt werden. Der Frequenzbereich mit einer deutlich reduzierten Varaktorgüte ist dabei abhängig von der Bauteilgeometrie. Das hier vorgestellte Modell lässt sich zusammen mit den damit extrahierten Materialeigenschaften für die Optimierung von weiteren steuerbaren planaren Bauelementen einsetzen. Für eine Modellierung der dielektrischen Eigenschaften der Dickschichten basierend auf dem phänomenologischen Modell nach Vendik [Ve02] blieb aufgrund der deutlich verkürzten Projektlaufzeit (von zwei auf ein Jahr) keine Zeit. Deshalb kann eine abschließende Bewertung der in Dickschichten auftretenden Verlustmechanismen nur unvollständig erfolgen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Annealing Effects on Structural and Dielectric Properties of Tunable BZT Thin Films, Journal of Electroceramics 13 (2004), 229 – 233
  J. Xu, W. Menesklou and E. Ivers-Tiffée
  
• Ba0.60Sr0.40TiO3 and BaZr0.30Ti0.70O3 Thick Films as Tunable Microwave Dielectrics, Journal of the European Ceramic Society 24 (2004), 1729- 1733
  F. Zimmermann, M. Voigts, W. Menesklou, E. Ivers-Tiffée
  
• Investigation of Ag(Ta,Nb)O3 as Tunable Microwave Dielectrics, Journal of the European Ceramic Society 24 (2004), 1811-1814
  F. Zimmermann, W. Menesklou, E. Ivers-Tiffée
  
• Processing and Properties of BST and BZT Thin Films for Tunable Dielectric Devices, Journal of the European Ceramic Society 24 (2004), 1735-1739
  J. Xu, W. Menesklou and E. Ivers-Tiffée
  
• Continuously Tunable Impedance Matching Network Using Ferroelectric Varactors, Proc. IEEE MTT-S International Microwave Symposium, June 2005
  Patrick Scheele, Felix Goelden, Andre Giere, Stefan Mueller, and Rolf Jakoby
  
• Investigation of BZT Thin Films for Tunable Microwave Applications, Journal of the European Ceramic Society 2004, 25 (2005) 2289 – 2293
  J. Xu, W. Menesklou, E. Ivers-Tiffée
  
• Microwave Properties of Tunable Tick Films Based on BST, BZT and ATN, Sino-German Workshop on New Generation Polar Oxides Materials and Devices, Feb. 28 – Mar. 5, (2005), Xi’an, China
  W. Menesklou, E. Ivers-Tiffée
  
• Optimization of Uniplanar Multilayer Structures using Nonlinear Tunable Dielectrics, Proc. 35th European Microwave Conf. 2005, Oct. (2005), pp. 561-564
  Andre Giere, Patrick Scheele, Christian Damm and Rolf Jakoby
  
• Passive Ferroelectric Phase Modulators for RFID Backscatter Transponders, Proc. 35th European Microwave Conf. , Oct. 2005
  Patrick Scheele, Vlad Tomescu, Andre Giere, Stefan Mueller, and Rolf Jakoby
  
• Tunable Microwave Dielectrics Processed by Thick Film Technology, International Workshop on Integrated Electroceramic Functional Structures, iefs, June 6th – 8th, (2005) Berchtesgaden
  W. Menesklou, E. Ivers-Tiffée
  
• Dielectric Properties of Tunable Ba(Zr0.3Ti0.7)O3 Thin Films, International Symposium on Integrated Ferroelectrics, April 23-27, ISIF (2006), Honolulu, Hawaii
  J. Xu, W. Menesklou, E. Ivers-Tiffée
  
• Dotierte Ba0.6Sr0.4TiO3-Dickschichten als steuerbare Dielektrika, Pulversynthese und dielektrische Eigenschaften, Dissertation Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (2006)
  Florian Paul
  
• LH Phase Shifter using Ferroelectric Varactors, IEEE Radio and Wireless Symposium 2006, Jan. 2006
  Andre Giere, Christian Damm, Patrick Scheele, and Rolf Jakoby
  
• Microwave Switches based on Tunable Ferroelectric Filters, IEEE Radio and Wireless Symposium 2006, Jan. 2006
  Patrick Scheele, Andre Giere, Stefan Müller, and Rolf Jakoby
  
• Switching-mode mixers based on tunable filters, Electronics Letters, Vol 42, pp. 1358-1359, Nov. 2006
  Patrick Scheele, Andreas Kilian, Andre Giere, and Rolf Jakoby
  
• Influence of Acceptor and Donor Doping on the Microwave Properties of BST Thick Films, International Conference on Electroceramics, 31 July - 3 August 2007, Ngurdoto Mountain Lodge, Arusha,Tanzania
  W. Menesklou, F. Paul, E. Ivers-Tiffée
  
• Barium Strontium Titanate Thick-Films: Dependency between Dielectric Performance and their Morphology, FREQUENZ 2008/3-4
  Andre Giere, Xianghui Zhou, Florian Paul, Mohsen Sazegar, Yuliang Zheng, Holger Maune, Joachim Binder, and Rolf Jakoby
  
• Influence of Fe-F-co-doping on the dielectric properties of Ba0.6Sr0.4TiO3 thick-films, International Journal of Material Research, (2008) 1119-1128
  Florian Paul, Andre Giere, Wolfgang Menesklou, Joachim Binder, Patrik Scheele, Rolf Jakoby, and Jürgen Haußelt
  
• Characterization of Metal (Fe, Co, Ni, Cu) and Fluorine Co-doped Barium Strontium Titanate Thick-Films for Tunable Microwave Applications, Journal of Electroceramics, Mai 2009
  Xianghui Zhou, Holger Geßwein, Mohsen Sazegar, Andre Giere, Florian Paul, Rolf Jakoby, Joachim Binder, and Jürgen Haußelt
  
• Material- und Bauteiloptimierung steuerbarer Mikrowellenkomponenten mit nichtlinearen Ferroelektrika, Dissertation, Shaker Verlag, Juni 2009
  Andre Giere