Céramiques diélectriques commandables pour applications micro-ondes : composites à base de titanate de baryum-strontium et d'un oxyde non ferroélectrique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2001

Tunable dielectric ceramics for microwave applications : composites based on barium-strontium titanate and a non-ferroelectric oxide

Céramiques diélectriques commandables pour applications micro-ondes : composites à base de titanate de baryum-strontium et d'un oxyde non ferroélectrique

Résumé

Since the last decades, dielectric ceramics have been considered as attractive for microwave applications as tunable dielectric resonators or phase shifters. For that, ceramic devices should be tunable – change in dielectric constant with applied voltage- with moderate to low dielectric constant (30 to 1000) and loss tangent as low as possible. To reconcile these properties, composite ceramics based on Ba0.6Sr0.4TiO3 (BSTO) and a non-ferroelectric oxide with a low dielectric constant (MgTiO3 or MgO) were synthesised. The aim of this study was to correlate the microstructure with the dielectric properties, especially the Curie temperature and the dielectric relaxation phenomena.
Ceramics with nanometric sized grains were obtained by hot uniaxial pressing of attrition milled powders in order to be compared with micrometric sized grains ceramics obtained by conventional way. The density of the milling balls and the viscosity of the slurry control the size and the morphology of the milled powders. The hypothesis that nanometric ceramics should improve the performances of the microwave devices was inaccurate. Of course the reduction of the grain size allowed the reduction of permittivity but to the detriment of tunability and loss tangent. Micrometric ceramics doped with Mn have led to the best properties. However, the measured loss tangents seamed to reach a lower limiting value when the materials were optimised; it may be attributed to intrinsic losses due to a dipolar relaxation phenomenon in the range of the GHz. Experiments in the infrared range should be performed.
A drastic decrease of the Curie temperature (Tc) is observed when the amount of MgTiO3 or MgO increases in the composites. It shows a reaction between BSTO and the non-ferroelectric oxide, only observed by XRD for MgTiO3. Thus, a slight interdiffusion can reduce significantly Tc and in consequence the permitivity and the tunability. A doping refinement of ceramics should improve the performances.
Actuellement, les céramiques diélectriques suscitent de nombreux travaux pour des applications microondes (résonateurs diélectriques accordables ou déphaseurs). Pour cela, elles devront être commandables - modification de la constante diélectrique sous l'action d'un champ électrique – avoir une permittivité modérée (de 30 à 1000) et des tangentes de pertes les plus faibles possibles. Dans ce but, nous avons étudié des céramiques composites à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 (BSTO) et d'un oxyde non-ferroélectrique de faible permittivité (MgTiO3 ou MgO). Il s'agissait de corréler la microstructure des céramiques et leurs propriétés diélectriques, notamment la température de Curie et les relaxations diélectriques.
Des céramiques à grains nanométriques de BSTO, pour comparaison à des céramiques à grains microniques obtenues par frittage conventionnel, ont été réalisées par pressage à chaud de poudres broyées par attrition. L'hypothèse que ces céramiques amélioreraient les performances des dispositifs microondes s'est avérée inexacte. Une réduction des permittivités est observée mais au détriment de la commandabilité et des pertes. Les céramiques à grains micrométriques de BSTO dopées Mn ont conduit aux meilleures performances. Cependant, les pertes mesurées atteindraient une valeur limite basse lors de l'optimisation du matériau ; il s'agirait de pertes intrinsèques au matériau dues à une relaxation diélectrique de type dipolaire dans la gamme des GHz. Il faudra le vérifier par des mesures en infra-rouge.
Les températures de Curie (Tc) chutent drastiquement lors de l'ajout de MgTiO3 ou MgO, montrant une réaction entre les oxydes - observée par DRX seulement pour les céramiques à base de MgTiO3. Une faible interdiffusion abaisse donc largement Tc, et de ce fait la permittivité, et dégrade la commandabilité. Pour pallier ces problèmes, une structure multicouche est testée. Un affinement des dopages des composites pourrait aussi améliorer les performances.
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Dates et versions

tel-00357879 , version 1 (13-02-2009)

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  • HAL Id : tel-00357879 , version 1

Citer

Sandrine Nenez. Céramiques diélectriques commandables pour applications micro-ondes : composites à base de titanate de baryum-strontium et d'un oxyde non ferroélectrique. Matériaux. Université de Bourgogne, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00357879⟩
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