Nový přístup k přípravě vysoce laditelných mikrovlnných dielektrik

Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR přispěli k vývoji nového materiálu Sr_n+1Ti_nO_3n+1 s vrstevnatou krystalovou strukturou. Tento materiál má ve formě tenkých 50 nm vrstev a pod mechanickým napětím vynikající vlastnosti, které ho předurčují k využití v mikrovlnné elektronice, např. v mobilních telefonech. Publikace, popisující unikátní vlastnosti a způsob přípravy tohoto materiálu, vyšla v časopise Nature 16. října 2013.

Moderní mikrovlnné filtry a rezonátory využívají v mobilních telefonech materiály, ve kterých se permitivita¹ ladí elektrickým polem. Nejvyššího ladění se dosahuje u feroelektrik² v blízkosti teploty přechodu z paraelektrické do feroelektrické fáze, protože při těchto teplotách je permitivita nejvyšší. V současné době se technicky využívá hlavně Ba_1-xSr_xTiO₃. Tento materiál vykazuje vysoké ladění permitivity, ale zároveň také nežádoucí vysoké dielektrické ztráty. Pracovníci oddělení dielektrik společně s americkými spolupracovníky teoreticky předpověděli, fyzicky připravili a experimentálně charakterizovali vrstevnatý perovskitový systém Sr_n+1Ti_nO_3n+1 s n=1-6. Ačkoli tento systém není v objemové formě (krystal, keramika) feroelektrický, ukázalo se, že ve formě tenkých vrstev s tahovým napětím 1% se stává feroelektrický a jeho kritická teplota (T_c) roste s n. Díky tomu se jeho permitivita a elektrická laditelnost zvyšuje. Nejlepších vlastností se dosáhlo u Sr₇Ti₆O₁₉, kde se za pokojové teploty pozorovala nejen vysoká laditelnost, ale i rekordně nízké dielektrické ztráty. Díky tomu má tento material o řád lepší mikrovlnné vlastnosti než dosud nejlepší Ba_1-xSr_xTiO₃. Zjistilo se, že zatímco v jiných systémech jsou dielektrické ztráty způsobeny strukturními defekty, které jsou v materiálech vždy přítomné, za nízkými dielektrickými ztrátami Sr_n+1Ti_nO_3n+1 je jeho unikátní vrstevnatá krystalová struktura (viz obrázek níže), která dokáže „absorbovat“ strukturní defekty krystalové mřížky.

Obrázek vrstevnaté krystalové struktury Sr_n+1Ti_nO_3n+1 s n=1-6, ∞ a teplotní závislost dielektrické permitivity v tenkých vrstvách Sr_n+1TinO_3n+1. Teplota maxim permitivity odpovídá teplotám přechodu do feroelektrického stavu.

C.-H. Lee, N.D. Orloff, T. Birol, Y. Zhu, V. Goian, E. Rocas, R. Haislmaier, E. Vlahos, J.A. Mundy, L.F. Kourkoutis, Y. Nie, M.D. Biegalski, J. Zhang, M. Bernhagen, N. A. Benedek, Y. Kim, J.D. Brock, R. Uecker, X.X. Xi, V. Gopalan, D. Nuzhnyy, S. Kamba, D.A. Muller, I. Takeuchi, J.C. Booth, C.J. Fennie & D.G. Schlom, Exploiting dimensionality and defect mitigation to create tunable microwave dielectrics, Nature (2013)

Publikace je výsledkem dlouholeté spolupráce mezi Fyzikálním ústavem AV ČR a Cornellovou univerzitou v USA. Tučně jsou označeni autoři s Fyzikálního ústavu.

Více informací je možné získat od RNDr. Stanislava Kamby, CSc., kambafzu [dot] cz, tel.: 266052957

¹ Permitivita je materiálová konstanta vyjadřující schopnost daného materiálu se elektricky polarizovat.
² Feroelektrika jsou spontánně polarizované materiály, jejichž polarizace se dá překlápět vnějším elektrickým polem.