Tailoring the Microwave Dielectric Properties of GdTiNb 1 _-xTa,O6 and Sm 1 _X Y,TiTa06 Ceramics

Microwave dielectric ceramics based on GdTiNb,-,.Ta,O6 and Sml _.,Y,TiTa06 have been prepared by conventional solid state method . The GdTiTaO6 and SmTiTaO6 have aeschenite structure with positive rr and GdTiNbO6 and YTiTaO6 have euxenite structure with negative rr. The rr of the ceramics has been tuned by preparing solid solution phases between the aeschynites and euxenites for a possible zero rr material . It is observed that GdTiNbt_YTa.,O6 undergoes a phase transition from aeschynite to euxenite when x=0.75 and in Sml-,YxTiTa06 for x= 0.73. The microwave dielectric properties change abruptly near the transition region . The rr value approaches zero near the phase transition region while the samples have poor sinterability and poor quality factor . The unloaded quality factor, dielectric constant and the sign of rr of the solid solution phases are found to depend on the average ionic radius of the rare earth ion in RE ,-5RE',TiTaO6. The boundary of the euxenite-aeschynite phase transition occurs at an average ( RE) ionic radius of 0.915 A in Sm,_, Y,.TiTaO6 solid solution phases

Microwave Dielectric Properties of BaO -2CeO2-nTiO2 Ceramics

The BaO-2CeO2-nTiO2 ceramics with n = 3, 4 and 5 have been prepared with CeO2 as starting material . The ceramics have been characterized using scanning electron microscopy , X-ray diffraction , Raman and X-ray photoelectron spectroscopy techniques. The microwave dielectric properties have been measured using standard dielectric resonator techniques . BaO-2CeO2-3TiO2 (123), BaO-2CeO2-4TiO2 ( 124) and BaO-2CeO2-5TiO2 ( 125) ceramics showed dielectric constants of 38, 27 and 32, respectively . All the ceramics showed fairly good unloaded Q - factors . 124 and 125 compounds exhibited low tf values, while 123 showed a high rf value

Preparation, Characterization and Microwave Dielectric Properties of Ba (B1/2Nb1/2)03 [B' = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Y, Yb and In] Ceramics

Microwave dielectric resonators (DRs) based on Ba(B1,2Nbi/2)03 [B' = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Y, Yb, and In] complex perovskites have been prepared by conventional solid state ceramic route. The dielectric properties (relative permittivity, Er; quality factor, Q; and resonant frequency, rr) of the ceramics have been measured in the frequency range 4-6 GHz using resonance methods. The resonators have relatively high dielectric constant in the range 36-45, high quality factor and small temperature variation of resonant frequency. The dielectric properties are found to depend on the tolerance factor (t), ionic radius (r), and lattice parameter (ap)

The Effect of Glass Additives on the Microwave Dielectric Properties of Ba(Mg 1 /3Ta2/3)03 Ceramics

The effect of glass additives on the densification , phase evolution, microstructure and microwave dielectric properties of Ba(Mg1;3 Ta2i3)03 (BMT) was investigated . Different weight percentages of quenched glass such as B203 , Si02, B203-SiO2, ZnO-B203, 5ZnO-2B2O3, Al203-SiO2, Na20-2B203.10H20, BaO-B203-SiO2, MgO-B203-SiO2, PbO-B203-SiO2 , ZnO-B203-SiO2 and 2MgO-Al203-5SiO2 were added to calcined BMT precursor . The sintering temperature of the glass -added BMT samples were lowered down to 1300 °C compared to solid-state sintering where the temperature was 1650 °C. The formation of high temperature satellite phases such as Ba5Ta4O15 and Ba7Ta6O22 were found to be suppressed by the glass addition . Addition of glass systems such as B203, ZnO-B203, 5ZnO-2B203 and ZnO-B203-SiO2 improved the densification and microwave dielectric properties. Other glasses were found to react with BMT to form low-Q phases which prevented densification . The microwave dielectric properties of undoped BMT with a densification of 93 . 1 % of the theoretical density were Cr = 24 . 8, Tr = 8 ppm/°C and Q„ x f= 80,000 GHz. The BMT doped with 1.0 wt% of B203 has Q„ x f = 124,700GHz, Cr = 24.2, and T f = -1.3 ppm /°C. The unloaded Q factor of 0.2 wt% ZnO-B203-doped BMT was 136,500 GHz while that of 1.0 wt% of 5ZnO-2B203 added ceramic was Q„ x f= 141,800 GHz . The best microwave quality factor was observed for ZnO -B203-SiO2 (ZBS) glass-added ceramics which can act as a perfect liquid-phase medium for the sintering of BMT. The microwave dielectric properties of 0.2wt% ZBS-added BMT dielectric was Q„ x f= 152,800 GHz, F,= 25.5, and Tr = - 1.5 ppm/°C

Development and Analysis of a Drum-Shaped Compact Microstrip Antenna

The thesis is the outcome of the experimental and theoretical investigations on a new compact drum-shaped microstrip antenna. A new compact antenna suitable for personal communication system(PCS), Global position System(GPS) and array applications is developed and analysed. The generalised cavity model and spatial fourier transform technique are suitably modified for the analysis of the antenna. The predicted results are compared with experimental results and excellent agreement is observed. The experimental work done by the author in related fields are incorporated as three appendices in this thesis. A single feed dual frequency microstrip antenne is presented in appendix A.Appendix B describes a new broadband dual frequeny microstrip antenna. The bandwidth enhancement effect of microstrip antennas through dielectric resonator loading is demonstarted in Appendix C.

SRR loaded waveguide band rejection filter with adjustable bandwidth

The use of a split-ring resonator (SRR)-loaded waveguide for the design of a band-rejection filter with adjustable bandwidth is reported. The width of the stopband can be adjusted by suitably positioning the SRR array in the waveguide. The rejection band can be made very narrow by placing the array at the electric-field minimum. The stopband attenuation depends on the number of unit cells in the array.

Novel Low Loss A(A1/4 B2/4 C1/4)O3 Dielectrics and Their Applications In Broadband Antennas

This thesis presents the microwave dielectric properties of two novel dielectric resonator materials with the composition Ca(Ca1/4Nb2/4Ti1/4)O3 and Ca(Ca1/4Ta2/4Ti1/4)O3 ceramics and their application in the fabrication of wideband antennas. The microwave dielectric properties of the ceramics were tailored by several techniques such as doping, glass addition and solid solution formations in the complex perovskite A and B-sites with suitable substitutions. Among the wide variety of DRs developed, ceramic resonators with optimum properties were identified to fabricate broadband dielectric resonator loaded microstrip patch antennas. Furthermore, wideband, high permittivity dielectric resonator antennas were fabricated and explored the possibility of tuning their characteristics by modifying the feed line geometries.

Microwave absorption and magnetization tunneling in Mn12-acetate molecular clusters

In this paper we study the effect of microwave absorption on the quantum relaxation rate of Mn12 molecular clusters. We have determined first the resonant frequencies of a microwave resonator containing a single crystal of Mn12-Acetate and measured initial isothermal magnetization curves while microwave power was put into the resonator. We have found that the tunneling rate changes one order of magnitude for certain frequencies. This suggests that the microwave shaking of the nuclear spin and molecular vibrational degrees of freedom is responsible for the huge increasing of the tunneling rate.

On the Tailoring of Magnetic Properties of Fe-Based Alloy Thin Films by Swift Heavy Ion Irradiation and Thermal Annealing

The development of new materials has been the hall mark of human civilization. The quest for making new devices and new materials has prompted humanity to pursue new methods and techniques that eventually has given birth to modern science and technology. With the advent of nanoscience and nanotechnology, scientists are trying hard to tailor materials by varying their size and shape rather than playing with the composition of the material. This, along with the discovery of new and sophisticated imaging tools, has led to the discovery of several new classes of materials like (3D) Graphite, (2D) graphene, (1D) carbon nanotubes, (0D) fullerenes etc. Magnetic materials are in the forefront of applications and have beencontributing their share to remove obsolescence and bring in new devices based on magnetism and magnetic materials. They find applications in various devices such as electromagnets, read heads, sensors, antennas, lubricants etc. Ferromagnetic as well as ferrimagnetic materials have been in use in the form of various devices. Among the ferromagnetic materials iron, cobalt and nickel occupy an important position while various ferrites finds applications in devices ranging from magnetic cores to sensors.

Frequency Coded Chipless RFID Tag using Spurline Resonators

A novel compact chipless RFID tag using spurline resonators is discussed in this paper. The detection of the tag's ID is using the spectral signature of a spurline resonator circuit. The tag has a data capacity of 8-bits in the range 2.38 to 4.04 GHz. The tag consists of a spurline multiresonating circuit and two cross polarized antennas. The prototype of the tag is fabricated on a substrate CMET/ LK4.3 of dielectric constant 4.3 and loss tangent 0.0018. The measured results show that group delay response can also be used to decode the tag’s identity

Ga Optimized Srr Calculator

Negative magnetic permeability media (NMPM) can be built up by using small resonant metallic particles like Split ring resonator (SRR) which has very high magnetic polarisability. A group of these particles shows a negative permeability region near and above the resonant frequency. The continuous medium parameters describing the SRR array can be predicted from their individual electromagnetic behavior near the resonances. The paper presents an optimizing software using Genetic Algorithm (GA) to design an edge coupled two ring SRR for a particular frequency

Design and Development of Spectral Signature Based Chipless RFID Tags

The main objective of this thesis is to design and develop spectral signature based chipless RFID tags Multiresonators are essential component of spectral signature based chipless tags. To enhance the data coding capacity in spectral signature based tags require large number of resonances in a limited bandwidth. The frequency of the resonators have to be close to each other. To achieve this condition, the quality factor of each resonance needs to be high. The thesis discusses about various types of multiresonators, their practical implementation and how they can be used in design. Encoding of data into spectral domain is another challenge in chipless tag design. Here, the technique used is the presence or absence encoding technique. The presence of a resonance is used to encode Logic 1 and absence of a speci c resonance is used to encode Logic 0. Di erent types of multiresonators such as open stub multiresonators, coupled bunch hairpin resonators and shorted slot ground ring resonator are proposed in this thesis.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.