Caracterización de Materiales Ferroeléctricos en Frecuencias de Microondas
Fecha
2019
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Editor
Universidad EAFIT
Resumen
This dissertation aims at the implementation of a technique of dielectric characterization of ferroelectric ceramic materials at microwave frequencies, to measure dielectric constant and loss tangent associated with the propagation of electromagnetic waves (Tan δ) with frequencies up to 8.5 GHz. For the characterization of the ferroelectric materials, the coatings were synthesized by spin-coating technique and then a gradual heat treatment was avoid cracking during the drying process. For this, sputtering techniques (RF magnetron sputtering) were explored using Barium Titanate targets (BaTiO3) and Strontium Titanate (SrTiO3) at 99.99% (manufacturer); Chemical solution (Sol-Gel) techniques of ferroelectric materials deposited on a metallized alumina substrates. The films obtained were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The technique of dielectric characterization implemented as part of this work consists of depositing the material to be analyzed on a coplanar waveguide resonator circuit (CPW). The dielectric constant and its loss tangent can be determined from the frequency response of the resonator coated with the sample material. The obtained results confirm the synthesis of Barium Titanate with cubic structure, with homogeneous distribution on surfaces and few surface defects on metallized alumina substrates. The dielectric characterization shows a relative dielectric constant 𝜀𝑟≈20, a very promising result. However, the tangent of losses despite not reporting optimal levels (Tan δ ≈0.001), these adjust to results reported in studies of similar characteristics.
Descripción
El presente trabajo consiste en la implementación de una técnica de caracterización dieléctrica de materiales cerámicos ferroeléctricos en frecuencias de microondas, esto es, determinar su constante dieléctrica y las pérdidas asociadas a la propagación de ondas electromagnéticas (tangente de pérdidas, 𝑇𝑎𝑛 𝛿) con frecuencias hasta los 8.5 GHz. Como primer paso para la caracterización propuesta debieron obtenerse los materiales ferroeléctricos a analizar. Para esto se exploraron técnicas de pulverización catódica (RF magnetron sputtering) utilizando blancos de Titanato de Bario (𝐵𝑎𝑇𝑖𝑂3) y Titanato de Estroncio (𝑆𝑟𝑇𝑖𝑂3) al 99.99% (fabricante); también fueron exploradas técnicas de solución química (Sol-Gel) de materiales ferroeléctricos depositados mediante spin-coating con tratamiento térmico posterior. Las películas obtenidas fueron caracterizadas mediante técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X, (DRX), microscopía de fuerza atómica (AFM), espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDS). La técnica de caracterización dieléctrica implementada como parte de este trabajo consiste en depositar el material a ser analizado sobre un circuito resonador guía de onda coplanar (CPW, por sus siglas en inglés, coplanar waveguide). A partir de la respuesta en frecuencia del resonador recubierto con el material de muestra puede determinarse su constante dieléctrica y su tangente de pérdidas. Los resultados obtenidos confirman la síntesis de titanato de bario con estructura cúbica, con distribución homogénea sobre las superficies y pocos defectos superficiales sobre substratos de alúmina metalizada. La caracterización dieléctrica revela una constante dieléctrica relativa 𝜀𝑟≈20, resultado bastante promisorio. Sin embargo, la tangente de pérdidas a pesar de no reportar niveles óptimos (𝑇𝑎𝑛 𝛿 ≈0.001), estos se ajustan a resultados reportados en estudios de características similares.
Palabras clave
Caracterización dieléctrica, ferroeléctricos, películas delgadas, guía de onda coplanar (CPW)