Мікрохвильовий діелектричний матеріал на основі кобальтдефіцитного кобальт-ніобату барію

Реферат: Мікрохвильовий діелектричний матеріал на основі кобальтдефіцитного кобальт-ніобату барію Ва(Со1/3-y,Nb1/3)О3-, де 0,04у0,10. Має місце відхилення від стехіометрії в підґратці кобальту, при такому співвідношенні компонентів (мас. %): ВаО 58,1-59,1 СоО 6,7-8,3 Nb2O5 33,6-34,2. UA 111752 U (12) UA 111752 U UA 111752 U 5 Корисна модель належить до розробки мікрохвильових діелектриків і може бути використана при виготовленні резонансних елементів фільтруючих та генеруючих пристроїв для телекомунікаційних, стільникових, радіорелейних, радіонавігаційних та радіолокаційних систем зв'язку надвисокочастотного (НВЧ) діапазону. Для створення резонансних елементів фільтруючих та генеруючих пристроїв сучасної техніки зв'язку необхідні діелектричні матеріали, які в мікрохвильовому діапазоні поєднують високі значення діелектричної проникності (   1) та низькі діелектричні втрати tg   10 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 (для цього часто використовують величину діелектричної добротності Q  1 , або добуток tg Q  f , де f - робоча частота в ГГц). Крім того, мікрохвильові діелектрики повинні мати високу температурну стабільність параметрів, яка характеризується температурним коефіцієнтом діелектричної проникності ( TK    ), який для більшості технічних застосувань має бути T -5 -6 -1 низьким (10 -10 Κ ). Величина TK визначає зокрема температурну залежність робочої частоти резонансного елементу ( ТКЧ   1 ТК    ), де  - температурний коефіцієнт лінійного 2 розширення матеріалу [1, 2]. В залежності від конкретних застосувань, величина TK повинна мати певне значення, щоб компенсувати температурну залежність інших елементів електронних схем. Використання високодобротних термостабільних діелектриків при розробці елементної бази фільтруючих та генеруючих пристроїв радіозв'язку дозволяє зменшити виробничі затрати, підвищити надійність радіоапаратури та ефективно вирішувати питання її мікромініатюризації. Технічні вимоги до параметрів мікрохвильових діелектриків визначаються областю їх застосування, типом електромагнітних коливань, які збуджуються в резонансному елементі, та діапазоном робочих частот радіо пристрою [1]. Зокрема, високі значення Q в діелектричному матеріалі забезпечують чутливість та селективність радіоапаратури, низький рівень її фазових шумів. В той же час, величина  визначає довжину електромагнітної хвилі  в діелектричному матеріалі (  ~ 1/  ), і як наслідок - кратні  розміри резонансних елементів. В сантиметровому і міліметровому діапазонах, де довжини електромагнітних хвиль відносно невеликі, питання пов'язані з мікромініатюризацією стають менш актуальними порівняно з дециметровим діапазоном. Відповідно діелектрична проникність матеріалів, які застосовуються в сантиметровому і міліметровому діапазонах, порядку 20-40, є оптимальною. Проте, вирішального значення набуває величина електричної добротності ( Q  1 ), оскільки з ростом tg частоти від дециметрового до міліметрового діапазону величина tg лінійно збільшується, тому що це пов'язано з присутністю іонно-деформаційної поляризації в діелектрику. Тому особливо актуальним є розробка нових НВЧ діелектриків з низькими діелектричними втратами і керованою величиною TK , що забезпечить розробку на їх основі резонансних елементів з високою добротністю ( Q  f  50000 ГГц) для сантиметрового і міліметрового діапазонів, де питання селективності (чутливості) резонансних елементів і температурна стабільність резонансної частоти НВЧ пристроїв зв'язку (радіофільтри, диплексери, твердотільні генератори тощо) стають вирішальними. Серед відомих мікрохвильових діелектриків матеріали на основі твердих розчинів Zr 1xSnxTiO4 характеризуються величиною діелектричної проникності порядку 38-39. високою термостабільністю властивостей ( TK   1  2  10 6 K 1 ) і високою електричною добротністю ( Q  f  51500 ГГц) [3]. Проте, величина добротності Q  f  51500 ГГц є незадовільною для створення високоефективних радіо фільтрів, диплексерів тощо на основі діелектричних матеріалів в сантиметровому і міліметровому діапазонах. Найбільш близьким по технічній суті і досягнутим результатам до корисної моделі, яка заявляється, є мікрохвильовий діелектричний матеріал Ba(Co 1/3Nb1/3)O3, який характеризуються величиною діелектричної проникності 32, високою термостабільністю властивостей ( TK   7  10 6 K 1 ) та високою добротністю Q  f  55000ГГц (прототип) [4-5]. Основним недоліком матеріалів Ba(Co1/3Nb1/3)O3 є недостатньо висока добротність ( Q  f ), що не завжди забезпечує необхідні характеристики сучасної апаратури зв'язку та радіолокації, а також неможливість змінювати величину температурного коефіцієнту діелектричної проникності TK , що є необхідною умовою розробки радіо фільтрів, твердотільних генераторів тощо. 1 UA 111752 U В основу даної корисної моделі поставлено підвищення електричної добротності в діелектричних матеріалах на основі Ba(Co1/3Nb1/3)O3 і можливість керування величиною TK . Поставлене завдання досягається відхиленням від стехіометрії в катіонній підґратці кобальту, тобто синтезу матеріалів типу Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   , де 0,04  y  0,10 .  5 10 15 При дефіциті іонів кобальту величина добротності ( Q  f ) проходить через максимум при y  0,07 (фіг.1). При зміні у в інтервалі 0-0,05 система однофазна, структура перовскіту. Підвищення добротності при відхиленні від стехіометрії в підґратці кобальту пояснюється упорядкуванням йонів кобальту і ніобію в кристалічній підґратці. При збільшення відхилення від стехіометрії ( y  0,07 ) добротність знижується із-за значного збільшення концентрації додаткових фаз. Слід відмітити, що відхилення від стехіометрії в даній системі дозволяє змінювати величину термостабільності діелектричної проникності від від'ємних до позитивних значень (фіг. 1, 2), що важливо для технічних застосувань. Це пов'язано з тим, що додаткова фаза Ba8CoNb6O24, яка при цьому виникає, має протилежну по знаку величину TK порівняно з основною фазою. Це приводить до ефекту об'ємної термокомпенсації і, відповідно, можливості зміни величини TK від від'ємних до позитивних значень (фіг. 2). На фіг. 1 зазначено залежність величини електричної добротності в системі Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   , від величини у на частоті 10 ГГц. На фіг.2 - залежність величини  20 25 30     температурного коефіцієнта діелектричної проникності TK в системі Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   , від величини y на частоті 10 ГГц. Мікрохвильовий діелектрик на основі Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   одержували методом   твердофазних реакцій, де в якості вихідних реагентів використовували ВаСО 3, Со3О4, Nb2O5 кваліфікації "ос. ч.". Рентгенофазовий аналіз проводили за допомогою рентгенівського дифрактометра ДРОН3УМ ( Cu -випромінювання; Ni фільтр). Мікроструктуру кераміки досліджували за допомогою скануючого електронного мікроскопу (JSM 5800, JEOL, Tokyo, Japan), обладнаного детектором EDS. Вимірювання електрофізичних характеристик (діелектричної проникності  , електричної добротності Q і температурного коефіцієнту TK ) на частоті 10 ГГц проводили методом "діелектричного резонатора", використовуючи мережений аналізатор PNA-L N5230A (Agilent, USA). В таблиці приведені порівняльні електрофізичні характеристики матеріалів системи Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   , де 0,00  y  0,15 . Як видно із даних таблиці і рис. 1, 2 мікрохвильовий     діелектрик на основі системи Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   , де y  0,04  y  0,10 , який заявляється, характеризується значеннями діелектричної проникності 33, високою термостабільністю 35 40 45 50 властивостей ( TK   0  2  10 6 K 1 ) і високим значеннями добротності Q  f  75000 85000 ГГц (на рисунку інтервал матеріалів, що заявляється виділений заштрихованою областю). При значеннях y 0,00  0,07 в діелектричному матеріали системи Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   спостерігається збільшення упорядкування іонів кобальту і ніобію в кристалічній підґратці, що супроводжується ростом добротності. При y  0,07 кількість додаткових фаз збільшується, що спричиняє зниження добротності. Джерела інформації: 1. Безбородов Ю.М. Диэлектрические резонаторы в микроэлектронике СВЧ / Безбородов Ю.М., Гассанов Л.Г., Липатов А.А. и др. // Обзор ЭТ. Сер. Электроника СВЧ. - вып. 4(786). - М: ЦНИИ "Электроника". 1981. - с. 82. 2. М.Т. Sebastian, Dielectric Materials for Wireless Communication, Elsevier Science. - Oxford, U.K., 2008. 3. D.-J. Kim, J.-W. Hahn, G.-P. Han, S.-S. Lee and T.-G. Effects of alkaline-earth metal addition on the sinterability and microwave characteristics of (Zn, Sn)TiO 4 dielectric // J. Am. Ceram. Soc. 2000. - V. 83. - P. 1010-1012. 4. Endo, K., Fujimoto, K. and Murakawa, K., Dielectric properties of ceramics in Ba(Co1/3Nb2/3)O3Ba(Zn1/3Nb2/3)O3 solid solutions. J. Am. Ceram. Soc. - 1987. - V. 70. №9. - P. 215-218. 5. Azough, F., Leach, С and Freer, R., Effect of V 2O5 on the sintering behaviour, cation order and properties of Ba3Co0.7Zn0.3Nb2O9 ceramics. J. Eur. Ceram. Soc, - 1987. - V. 25. - P. 2839-2842.  2  UA 111752 U Таблиця   Електрофізичні властивості системи Ba Co 1/ 3  yNb 1/ 3 O3   , де у змінювався в інтервалі № x 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0,03 0,04 0,07 0,10 0,11 0,13 0,15 0,00  y  0,15 Електрофізичні властивості на Хімічний склад, %мас. 10 10 Гц Примітка TK , ВаО СоО Nb2O5  Qf 6 1 10 K 57,4 9,4 33,2 32 60500 3,5 57,9 8,6 33,5 32 71000 3 58,1 8,3 33,6 33 75700 2 Матеріал, що 58,6 7,5 33,9 33 85000 1 заявляється 59,1 6,7 34,2 33 81000 0 59,2 6,4 34,4 34 72000 -0,5 59,6 5,9 34,5 34 53000 -1 60,0 5,4 34,6 34 35000 -1,5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Мікрохвильовий діелектричний матеріал на основі кобальтдефіцитного кобальт-ніобату барію Ва(Со1/3-y,Nb1/3)О3-, де 0,04у0,10, який відрізняється тим, що для підвищення електричної добротності, а також можливості керування величиною TK, має місце відхилення від стехіометрії в підґратці кобальту, при такому співвідношенні компонентів (мас. %): ВаО 58,1-59,1 СоО 6,7-8,3 Nb2O5 33,6-34,2. 10 3 UA 111752 U Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4