Authors:	Braun, Hubertus
Title:	Titanate-based paraelectric glass-ceramics for applications in GHz electronics
Online publication date:	22-May-2015
Year of first publication:	2015
Language:	german
Abstract:	Das Gebiet der drahtlosen Kommunikationsanwendungen befindet sich in einem permanenten Entwicklungsprozess (Mobilfunkstandards: GSM/UMTS/LTE/5G, glo-bale Navigationssatellitensysteme (GNSS): GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) zu immer höheren Datenraten und zunehmender Miniaturisierung, woraus ein hoher Bedarf für neue, optimierte Hochfrequenzmaterialien resultiert. Diese Entwicklung zeigt sich besonders in den letzten Jahren in der zunehmenden Entwicklung und Anzahl von Smartphones, welche verschiedene Technologien mit unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen innerhalb eines Geräts kombinieren (data: 1G-4G, GPS, WLAN, Bluetooth). Die für zukünftige Technologien (z.B. 5G) benötigte Performance-steigerung kann durch die Verwendung von auf MIMO basierenden Antennensystemen realisiert werden (multiple-input & multiple-output, gesteuerte Kombination von mehreren Antennen) für welche auf dielectric Loading basierende Technologien als eine der vielversprechendsten Implementierungslösungen angesehen werden. rnDas Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer geeigneten paraelektrischen Glaskeramik ($\varepsilon_{r}$ > 20, $Qf$ > 5000 GHz, |$\tau_f$| < 20 ppm/K; im GHz Frequenzbe-reich) im $\mathrm{La_{2}O_{3}}$-$\mathrm{TiO_{2}}$-$\mathrm{SiO_{2}}$-$\mathrm{B_{2}O_{3}}$-System für auf dielectric Loading basierende Mobilfunkkommunikationstechnologien als Alternative zu existierenden kommerziell genutzten Sinterkeramiken. Der Fokus lag hierbei auf der Frage, wie die makroskopi-schen dielektrischen Eigenschaften der Glaskeramik mit ihrer Mikrostruktur korreliert bzw. modifiziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass die dielektrischen Materialanforderungen durch das untersuchte System erfüllt werden und dass auf Glaskeramik basierende Dielektrika weitere vorteilhafte nichtelektro-nische Eigenschaften gegenüber gesinterten Keramiken besitzen, womit dielektrische Glaskeramiken durchaus als geeignete Alternative angesehen werden können. rnEin stabiles Grünglas mit minimalen Glasbildneranteil wurde entwickelt und die chemische Zusammensetzung bezüglich Entglasung und Redoxinstabilitäten optimiert. Geeignete Dotierungen für dielektrisch verlustarme $\mathrm{TiO_{2}}$-haltige Glaskeramiken wurden identifiziert.rnDer Einfluss der Schmelzbedingungen auf die Keimbildung wurde untersucht und der Keramisierungsprozess auf einen maximalen Anteil der gewünschten Kristallphasen optimiert um optimale dielektrische Eigenschaften zu erhalten. Die mikroskopische Struktur der Glaskeramiken wurde analysiert und ihr Einfluss auf die makroskopischen dielektrischen Eigenschaften bestimmt. Die Hochfrequenzverlustmechanismen wurden untersucht und Antennen-Prototypenserien wurden analysiert um die Eignung von auf Glaskeramik basierenden Dielektrika für die Verwendung in dielectric Loading Anwendungen zu zeigen. The area of wireless communication applications is in an ongoing development process (mobile phone standards: GSM/UMTS/LTE/5G, global navigation satellite systems (GNSS): GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) towards higher data rates and miniaturization which results in a high demand for new optimized microwave materials.rnThis trend becomes especially apparent considering the increasing development and number of smart phones in the recent years, combining the use of multiple technologies of different operating microwave frequencies on a limited spatial area (data: 1G-4G, GPS, WLAN, Bluetooth). The required performance increase for future technologies (e.g. 5G) can be achieved by the use of MIMO-based antenna systems (multiple-input & multiple-output, controlled combination of multiple antennas) for which dielectric loading-based technologies are one of the most promising implementation solutions. rnThe aim of this work was the development of a suitable paraelectric glass-ceramic ($\varepsilon_{r}$ > 20, $Qf$ > 5000 GHz, |$\tau_f$| < 20 ppm/K; at GHz frequencies) of the $\mathrm{La_{2}O_{3}}$-$\mathrm{TiO_{2}}$-$\mathrm{SiO_{2}}$-$\mathrm{B_{2}O_{3}}$-system for dielectric loading-based mobile communication technologies as an alternative to existing, commercially used sintered ceramic materials. The focus laid on the question, how the macroscopic dielectric properties of the glass-ceramic material could be correlated and respectively modified by the control of its microstructure. In this work, it was shown that the given dielectric requirements could be fulfilled by the investigated system and that glass-ceramic-based dielectrics showed superior nonelectronic properties to sintered ceramics (homogeneity, low porosity, metal adhesion) proving that glass-ceramic materials are a suitable alternative. rnA stable basic glass with a minimum glass former content has been developed and the chemical composition has been optimized against unwanted devitrification and redox instabilities (prevention of $\mathrm{Ti^{4+}}$ reduction to $\mathrm{Ti^{3+}}$). Suitable oxidizing agents for low dielectric loss $\mathrm{TiO_{2}}$-based glass-ceramics were identified by the use of EPR and optical spectroscopy. The influence of the melting conditions on the nucleation mechanisms (surface, $\mathrm{Pt}$, $\mathrm{Ti^{3+}}$) was investigated and the ceramization process was adapted for a maximum amount of the desired crystalline phases to achieve optimum dielectric properties. The microstructure of the glass-ceramic was analyzed by SEM/TEM and XRD measurements and correlated with the macroscopic dielectric properties which were characterized by GHz resonance methods. The dielectric high frequency loss mechanisms were investigated by the use of impedance spectroscopy methods and THz ellipsometry. Two prototype antenna series were analyzed to prove the suitability of glass-ceramic-based dielectrics for the use in dielectric loaded applications.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1846
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-40639
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen