Spinel Mikrodalga Dielektrik Seramiklerinin Polimerik Jel Yöntemi İle Üretimi Ve Karakterizasyonu

Abstract

Mikrodalga iletişim teknolojisinin ilerlemesiyle, mikrodalga cihazlarda kullanılan dielektrik malzemelerin önemi de giderek artmaktadır. Mikrodalga dielektrik malzemeler cep telefonlarından küresel konumlandırma sistemlerine, uydu haberleşme sistemlerinden askeri arama radarlarına kadar çok geniş bir uygulama alanına sahiptirler. Günümüzde kullanılan mikrodalga cihazlar sürekli daha küçük boyutlar ve daha yüksek kapasiteye doğru özellik kazanma eğiliminde olup aynı zamanda bu cihazların kullanıldıkları frekans bantları da GHz’ler mertebesinde hızla ilerlemektedir. Bunun sonucunda da daha üstün özelliklere sahip mikrodalga dielektrik malzemelerin üretimi söz konusudur. Üretilecek mikrodalga dielektrik malzemelerin, uygulama alanına göre istenilen dielektrik sabiti değerlerine, düşük dielektrik kayıplara ve geniş bir aralıkta iyi bir sıcaklık ve frekans stabilitesi gibi özelliklere sahip olması gerekmektedir. Seramik malzemeler, dielektrik özellikleri sayesinde mikrodalga dielektrik uygulamalarında en çok tercih edilen malzeme grubudur. Özellikle spinel yapısına sahip dielektrik oksit seramikler dielektrik, manyetik ve optik özelliklerinin yanında yüksek ergime sıcaklıkları, yüksek sıcaklıklardaki kimyasal kararlılıkları, termal şok dirençleri ve mukavemetleri sayesinde mühendislik uygulamaları açısından ilgi gören malzeme gruplarının başında gelmektedir. Spinel yapısına sahip Mg1+xAl2-2xTixO4 (MAT) seramikleri düşük dielektrik sabiti değerleri ve dielektrik sabiti değerlerinin kimyasal kompozisyon değişimi ile kolaylıkla kontrol edilebilmesinin yanısıra düşük dielektrik kayıplara ve iyi bir kimyasal ve mekanik stabiliteye sahip oluşu nedeniyle yüksek frekans bantlarında çalışan mikrodalga uygulamalar için potansiyele sahip malzeme gruplarından birisidir. Bu çalışmada, MAT mikrodalga dielektrik seramiklerinin 0.1≤x≤0.9 mol bileşim aralığında Polimerik Jel (Pechini) Yöntemi ile sentezlenmesi, sentezlenen tozların soğuk izostatik press kullanılarak şekillendirilmesinin ardından ısıl işlem sıcaklık ve sürelerinin yanısıra malzemenin tane boyutunun ve yoğunluğunun dielektrik özelliklere etkisinin incelenmesi hedeflenmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında, farklı bileşimlerdeki MAT numuneleri hazırlanmıştır. Hazırlanan numuneler bileşimin titanyum içeriğine göre isimlendirilmiştir. Örnek olarak MAT03 numunesi, Mg1.3Al1.4Ti0.3O4 bileşimini ifade etmektedir. Numunelerin hepsi Polimerik Jel (Pechini) Yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Hedef bileşim içerisinde bulunan elementlerin nitrat tuzları saf su ile çözüldükten sonra, ısıtıcılı karıştırıcılara konulmuştur. Çözeltilere şelat yapıcı sitrik asit eklenmiş olup, takiben jelleşme ve ani yanma reaksiyonları meydana gelmiştir. Sonrasında 16 saat süre ile etüvde bekletilen numuneler toz yapısında kabaca öğütülerek, porselen krozeler içerisinde 800°C’de 6 saat süreyle kalsine edilmiştir. Kalsinasyon sonrası 400 MPa altında soğuk izostatik pres ile şekillendirilen numuneler platin folyo üzerine yerleştirilerek 1400°C’de 6 saat süreyle ısıl işleme tabi tutulmuştur. Elde edilen numunelerin yoğunluk değerleri Arşimet Metodu ile ölçülmüştür. Numunelerin faz analizleri ise XRD tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiş olup dielektrik özellikleri ise dielektrik spektroskopi yöntemi ile belirlenmiştir. Bu çalışma sonucunda, tüm numunelerin elde edilen relatif yoğunluk değerlerinin, %85’ in üzerinde olduğu belirlenmiştir. Polimerik Jel (Pechini) yöntemi kullanılarak sentezlenen Mg1+xAl2-2xTixO4 (MAT) dielektrik seramiklerinin XRD paternleri incelendiğinde Fd3m uzay grubuna ait spinel yapısındaki MAT katı eriyiğinin başarıyla tek faz olarak sentezlendiği görülmüştür. Bileşimde bulunan Ti miktarının artmasıyla pik pozisyonlarının daha düşük 2θ değerlerine ötelendiği görülmüştür. Bunun nedeninin spinel yapı içerisindeki oktahedral boşluklara Mg+2 ve Al+3 iyonlarına göre iyonik yarıçapı daha büyük olan Ti+4 iyonlarının yerleşmesine bağlı olarak yapının kafes parametresinin değişiminden kaynaklandığı ön görülmüştür. Numunelerin XRD paternleri yardımıyla Scherrer eşitliği kullanılarak kristalit boyutları hesaplanmıştır. Numunelerin ortalama kristalit boyutlarının 19.4-69.5 nm arasında olduğu belirlenmiştir. Numunelerin hesaplanan kafes parametrelerinin, kompozisyona bağlı olarak 8.080-8.435 Å (MAT01-MAT09) değerleri arasında lineere yakın değiştiği ve katı eriyik oluşumunun bir göstergesi olan Vegard Yasasına uygun olduğu gösterilmiştir. Numunelerin dielektrik özellikleri oda sıcaklığında, 103-107 Hz frekans değerlerinde incelenmiş olup dielektrik özellikler 1MHz değeri için belirlenmiştir. Ölçümler sonucunda dielektrik sabiti değerlerinin, ε_r=13.7-16.3 aralığında olup bileşimde bulunan Ti miktarının artmasıyla dielektrik sabiti değerlerinin de arttığı gözlemlenmiştir. Bunun nedeninin Ti iyonunun Mg ve Al iyonlarına göre daha yüksek dielektrik polarizabilite değerine sahip oluşundan kaynaklandığı öngörülmüştür. Numunelerin dielektrik kayıp faktörlerinin tanδ=0,001-0,005 arasında, elektriksel iletkenlik değerlerinin ise σ =7.3x10-9-1.29x10-8 S/cm arasında olduğu belirlenmiştir. Çalışma sonucunda MAT dielektrik seramiklerinin literatürde daha önce denenmiş bir yöntem olan Polimerik Jel (Pechini) Yöntemi ile daha düşük sıcaklıklarda ve kısa sürelerde üretilebilirliği ve dielektrik sabiti değerlerinin kimyasal kompozisyon değişimi ile kolaylıkla kontrol edilebilirliği ortaya konmuştur.

With the progress in microwave communication technology, dielectric materials have come to play an important role in in global society with a wide range of applications from terrestrial and satellite communication including global positioning system, military search radars and cellular phones. In order to meet the specifications of the current and future systems, improved or new microwave components based on dedicated dielectric materials and new designs are required. For this reason, the dielectric materials available for microwave devices are required to have predictable properties with respect to a desired dielectric constant values, low dielectric loss, high quality factor, temperature and frequency stability to ensure specialized requirements and functions. Numerous microwave dielectric materials have been prepared and investigated for their microwave dielectric properties and for satisfying these requirements. Ceramic materials are the most preferred material group of microwave applications thanks to dielectric properties. In particular, dielectric oxide ceramics have revolutionized the microwave communication industry by reducing the size and cost of filter, oscillator and antenna components in applications ranging from cellular phones to global positioning systems. The low permittivity ceramics (ε_r≤25) are used for high frequency communication and also as substrates for microwave integrated circuits. The medium ε_r ceramics with permittivity in the range 25-50 are used for satellite communications and in cell phone base stations. The high ε_r ceramics (ε_r≥50) are used in mobile phones, where miniaturization of the device is very important. For high frequency and substrate application, a temperature-stable low permittivity and low loss materials are required for high speed signal transmission with minimum attenuation. Latest researches have been focusing on compounds with the general formula AB2O4 (A=Mg, Zn, Co, Ni; B=Al, Fe, Ga) are referred to as spinels due to their dielectric, magnetic, and optical properties as well as high melting temperatures, chemical stability at high temperatures, thermal shock resistance and strength. Mg1+xAl2-2xTixO4 (MAT) dielectric ceramics having spinel structure that has a lower dielectric constant values (ε_r≤25). Also their dielectric constant values within those ranges can be adjusted easily by changing the ratios of chemical composition. Besides that it has low dielectric losses, as well as good chemical and mechanical stability and due to the fact that with the potential for microwave applications that working at high-frequency bands the one of the materials groups. Aim of this study is to experimentally produce MAT dielectric ceramics in range of 0.1≤x≤0.9 mole composition using polymeric gel (Pechini) method and to investigate the structural evolution and microwave dielectric properties of obtained samples. Investigation of heat treatment temperature and time, density of samples that are the most significant parameters on dielectric properties. In experimantal work, structure of Mg1+xAl2-2xTixO4 (MAT) prepared using Polymeric Gel (Pechini) Method. Prepared samples were shortened as MAT03 according to titanium content of composition. As an example, MAT03 refers to Mg1.3Al1.4Ti0.3O4 compound. Magnesium nitrate hexahydrate (Mg(NO3)2.6H2O), aluminum nitrate nonahydrate (Al(NO3)2.9H2O) and titanium isopropoxide (C12H28O4Ti) salts were mixed with purified water and put on hot plate at 150°C. As a chelate maker, citric acid was used and added to solution 1 mole per cation. After addition of citric acid in period of time, solution became jelly, followed by sudden combustion reaction. According to literature this stage where components firstly from. Later, samples put in an oven for 16 hours at 150°C and bloat out since it gives off most of its organics and crystal water. Then samples grounded and calcinated at 800°C. After calcination, samples were formed under 400 MPa using cold isostatic press. Obtained formed samples were put on a platinium foil and heat treated at 1400°C for 6 hours. The density of sintered samples was determined using Archimedes technique. The relative density values of sintered MAT dielectric ceramics over 85%. Sintered samples had been characterized by XRD and dielectric spectroscopy techniques. XRD analysis showed MAT dielectric ceramics that have spinel crystal structure in the cubic system, and space group Fd3m was synthesized as a single phase successfully. Increase of the quantity of titanium in the composition is the peak positions were shifted in lower than 2θ values. It is because of the octahedral voids in the spinel structure according to the ionic radius of Mg2+ and Al3+ ions are larger than Ti+4 ions due to the settlement of the construction based on the change in lattice parameter is contemplated. The crystallite sizes were calculated by Scherer formula using XRD data. Average crystallite size of the samples was determined to be between 19.7 to 69.5 nm. The lattice parameter of MAT dielectric ceramics varied linearly between 8.080-8.435Å (MAT01-MAT09) with increasing titanium content of composition indicating that ideal solid solutions were obtained according to the Vegard’s law. The basic microwave dielectric properties of samples were measured and determined as dielectric constant, dielectric loss factor and electrical conductivity at room temperature and 1MHz . The samples from the MAT dielectric ceramics have ε_r=13.7-16.3, dielectric constant values between x=0.1-0.9. Increasing titanium content of composition correspondingly dielectric constant values of samples also incrase due to dielectric polarizibility ability of titanium greater than other ions of aluminium and magnesium. Samples of dielectric loss factor values changes tanδ = 0.001 to 0.005, the electrical conductivity σ = 7.3×10-9 to 1, 29×10-8 S / cm. As a result of this study, production and characterization of MAT dielectric ceramics by Polymeric Gel (Pechini) Method was first time examined in literature. It is found that these materials can be obtained by Polymeric Gel (Pechini) Method even lower temperatures and time. Also, this method allows us to control easily the dielectric constant by chemical composition. The prouced MAT dielectric ceramics in this study could be used as a patch antenna substrates, matching structures for circulators and isolators, and miscellaneous support structures.