Microwave Frequency Characterization of Barium Titanate Films Obtained Via Sol-Gel

José Ignacio Marulanda Bernal; Wilson Henry Gallo Castrillón; Diana Marybel Mosquera Palacio

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Microwave Frequency Characterization of Barium Titanate Films Obtained Via Sol-Gel

José Ignacio Marulanda-Bernal ^[1] ; Wilson Henry Gallo-Castrillón ^[1] ; Diana Marybel Mosquera-Palacio ^[1]
1. [1] Universidad EAFIT
  
  Universidad EAFIT
  
  Colombia
Localización: Revista Facultad de Ingeniería, ISSN-e 2357-5328, ISSN 0121-1129, Vol. 29, Nº. 54, 2020
Idioma: inglés
Títulos paralelos:
- Caracterización en frecuencia de microondas de películas de titanato de bario obtenidas vía Sol-Gel
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Resumen
- español
  El presente trabajo se centra en la caracterización estructural, morfológica y dieléctrica de películas de titanato de bario (BTO o BaTiO3por su fórmula química) depositadas mediante la técnica que proporciona recubrimiento por medio de un sistema de rotación (spin coating) sobre substratos de silicio cristalino (Si) y resonadores CPW a través del método Sol-Gel, utilizando una relación molar Ba/Ti de 0.5/0.5. Las guías de ondas se fabricaron sobre substratos de alúmina (Al2O3) con 3 m de metalización en oro (Au) empleando la técnica de ablación láser. La microscopia electrónica de barrido (SEM) con espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS) permitió evidenciar la existencia de una película de BTO con una composición elemental de 14.62 % de bario y 5.65 % de titanio, además de un espesor de 0.77 m medido utilizando la modalidad perfilométrica de la microscopia de fuerza atómica (AFM). La caracterización dieléctrica se llevó a cabo mediante la comparación de la respuesta en frecuencia (parámetro S21) de un resonador CPW con película de BTO depositada y otro resonador de referencia (sin película) usando un analizador vectorial de red (VNA). Estas medidas se comparan a su vez con simulaciones computacionales para obtener las propiedades dieléctricas. Para la película de BTO se determinó una constante dieléctrica relativa (r) de 160 con tangente de pérdida (Tan) de 0.012 para una frecuencia de 3.60 GHz. La constante dieléctrica y la propiedad ferroeléctrica del material elaborado son características bastante promisorias para aplicaciones en circuitos de microondas, tales como miniaturización y sintonizabilidad.
- English
  The present work focuses on the structural, morphological and dielectric characterization of barium titanate films (BTO or BaTiO3 due to its chemical formula) deposited by spin coating on crystalline silicon (Si) substrates and CPW resonators using the Sol-Gel technique with a Ba/Ti molar ratio of 0.5/0.5. The coplanar waveguides were manufactured on alumina substrates (Al2O3) with 3 m of gold (Au) metallization using the laser ablation technique. The scanning electron microscopy (SEM) with X-ray energy dispersion spectrometry (EDS) showed the existence of a BTO film with an elementary composition of 14.62% barium and 5.65% titanium, with a thickness of 0.77 m measured using the profilometric mode of the atomic force microscopy (AFM). Dielectric characterization was carried out by comparing the frequency response (parameter S21) of a CPW resonator with deposited BTO film and another reference resonator (without film) using a network vector analyzer (VNA). These measurements are compared in turn with computational simulations to obtain the dielectric properties. For the BTO film a relative dielectric constant (r) of 160 was determined with a loss tangent (Tan) of 0.012 for a frequency of 3.60 GHz. The dielectric constant and the ferroelectric property of the material produced are quite promising for applications in microwave circuits, such as miniaturization and tuning.
- português
  Opresente trabalho centra-sena caracterização estrutural, morfológica edielétrica de películas de titanato de bário (BTO ouBaTiO3por suafórmula química) depositados mediante a técnica que proporciona recobrimento por meio de umsistema de rotação(spin coating) sobre substratos de silício cristalino (Si) eressonadores CPW mediante a técnica Sol-Gel, utilizando uma relaçãomolar Ba/Ti de 0.5/0.5. As guias de ondas fabricaram-sesobre substratos de alumina (Al2O3) com3 m de metalizaçãoemouro (Au) empregando a técnica de ablaçãolaser. Amicroscopia eletrônica de varredura(SEM) comespectrometria de dispersão de energia de raios X (EDS)permitiuevidenciar a existência de uma película de BTO comuma composição elementarde 14.62 % de bário e5.65 % de titânio, ademais de umaespessurade 0.77 m medido utilizando a modalidadeperfilométrica da microscopia de força atômica (AFM). Acaracterização dielétrica levou-sea cabo mediante a comparação da resposta emfrequência (parâmetro S21) de umressonador CPW compelícula de BTO depositada eoutro ressonador de referência (sempelícula) usando umanalisador vectorial de rede(VNA). Estas medidas comparam-sea suavez comsimulações computacionais para obter as propriedades dielétricas. Para a película de BTO determinou-seuma constante dielétrica relativa (r) de 160 comtangente de perda (Tan) de 0.012 para uma frequência de 3.60 GHz. Aconstante dielétrica ea propriedade ferroelétrica domaterial elaborado sãocaracterísticas bastante promissoras para aplicações emcircuitos de micro-ondas, tais como miniaturização esintonizabilidade.