Fabrication of composite thick films of BaLa4Ti4O15 and Ba4Nd9.33Ti18O54 by electrophoretic deposition - Mahajan, Amit (2011)
As comunicações sem fios experimentaram um crescimento excepcional nas últimas décadas e que se prevê que continue nos próximos anos (Capítulo 1, Referêcia 3) Com este crescimento há uma procura crescente de dispositivos de menores dimensões e mais versáteis, do que os actualmente existentes, que permitam maiores níveis de integração, possibilidade de operação a altas frequências e produção a custos reduzidos. Actualmente existe também a necessidade de desenvolver materiais com permitividade dieléctrica relativa (εr) entre 40 - 80, baixas perdas dieléctricas e coeficiente de temperatura da frequência de ressonância (tf) próximo de zero. Actividades de investigação e desenvolvimento para explorar a utilização de tecnologias de fabrico de filmes finos e espessos para substituir os materiais cerâmicos em uso corrente, estão actualmente em curso. Neste contexto, foi explorada no presente trabalho a fabricação de filmes espessos por deposição electroforética (EPD) do composto BaLa4Ti4O15 (BLT), cuja selecção se relaciona com as óptimas propriedades que apresenta para aplicação às frequências das microondas. Foi igualmente tentada a preparação de filmes espessos compósitos de BaLa4Ti4O15 (BLT) - Ba4Nd9.33Ti18O54 (BNT) para preenchimento do intervalo existente em termos de materiais com permitividades dieléctricas 40-80. A escolha da deposição electroforética de entre os vários processos de fabricação de filmes espessos prende-se com as características únicas desta técnica, nomedamente, elevada flexibilidade e simplicidade para aplicação a vários materiais e combinação de materiais, possibilidade de aplicação a uma gama variada de formas e estruturas tridimensionais complexas, densas e porosas e a capacidade de ser utilizada à escala industrial a baixos custos. Neste trabalho foi seguida uma aproximação sistemática para a fabricação dos filmes espessos compósitos pr EPD. Primeiramente procedeu-se à síntese de pós monofásicos de BLT e BNT pelo processo convencional de reacção no estado sólido e a sua pureza foi confirmada por análises de Difracção de Raios X. O tamanho e distribuição de tamanho e a morfologia dos pós de BLT e BNT foram caracterizados por recurso a técnicas de determinação de tamanho de partícula e microscopia electrónica de varrimento. De seguida foram preparadas suspensões dos pós de BNT e BLT em diferentes meios suspensores, como água, etanol e trietanolamina. Ao mesmo tempo, foi estudada a estabilidade das suspensões por análises de tamanho de partícula e medidas de transmitância de luz UV. As suspensões com estabilidade optimizada foram utilizadas para deposição de filmes espessos, em meio básico e meio ácido e foram estudadas as variáveis de processamento, como espessura, massa do depósito, corrente eléctrica em função do tempo e voltagem. Foi também discutido o efeito do passo de prensagem isostática, após deposição, na morfologia e densidade dos filmes e também na sua resposta dieléctrica. Filmes de BLT de 10 mm de espessura depositados sobre folhas de platina e sinterizados a 1600ºC/1h exibem εr = 58, TCεr +30ppm/ºC e perda dieléctrica de 0.002 a 1 MHz. Como termo de comparação foram preparados cerâmicos de BLT. Foi feita a caracterização estrutural, microestrutural e dieléctrica de filmes e cerâmicos de BLT, sinterizados entre 1400ºC e 1600ºC. Filmes espessos compósitos de BNT/BLT e BLT/BNT foram preparados com sucesso por EPD. Através da combinação de camadas de BLT e BNT foram preparados filmes espessos compósitos de 30 μm com εr ~71, TCεr ~-16ppm/ºC e perda dieléctrica de a 1 MHz. Estes resultados são de particular relevância visto que combinam a possibilidade de preparar filmes espessos com propriedades desenhadas para aplicações a frequências elevadas e das microondas com a capacidade de diminuir o tamanho do dispositivo. Embora preliminares estes resultados abrem novas oportunidades tecnológicas, que deverão ser mais exploradas ABSTRACT: Wireless communications have experienced an exceptional growth in the last decades and similar growth is expected for next coming years, according to the ABI analysis [Chapter 1, Reference 3]. With this growth there is an increase demand for the production of devices of smaller dimensions and more flexible than the current in use ones, with increased integration, possibility of operation at high frequencies and produced with reduced costs. There is also a present demand to develop materials with relative permittivity (εr) between 40 - 80, low loss and near zero temperature coefficient of resonant frequency (tf). Research activities to exploit thin and thick film technologies to replace the bulk ceramics are currently underway. Within this context, in this work, the fabrication of thick films by electrophoretic deposition of the tertiary compound BaLa4Ti4O15 (BLT) was exploited, because of the optimal properties for microwave applications of BLT. Simultaneously, the preparation of BaLa4Ti4O15 (BLT) - Ba4Nd9.33Ti18O54 (BNT) composite thick films was attempted to fill the permittivity gap of 40-80 as describe above. The choice of electrophoretic deposition (EPD) technique over other thick film processing techniques is obvious because of its unique features, such as the high flexibility and simplicity for application with various materials and combinations of materials, and on a wide range of shapes and 3D complex and porous structures, and its ability to be scaled-up to the fabrication of large product volumes and sizes at low costs. A systematic approach was used to fabricate the composite thick films. Firstly, BLT and BNT powders were prepared by solid state reaction synthesis and the phase purity of the powders was confirmed by XRD. The size and morphology of the powders were assessed by particle size analysis and scanning electron microscopy. BNT and BLT suspensions were prepared in different suspension media such as water, ethanol and acetone. The pH of the suspension was varied by dilute nitric acid and triethanolamine. Concomitantly the stability of the suspensions was characterised by particle size analysis and UV transmittance measurements. Stable suspensions were used for the deposition of particles in acidic and basic conditions, and the processing parameters such as thickness, deposit weight, current as a function of time and voltage were studied. The effect of iso static pressing and film thickness on the properties and morphology was also discussed. 10 mm thick BLT films on platinum foils and sintered at 1600ºC/1h exhibit εr = 58, TCεr +30ppm/ºC and loss tangent 0.002 at 1 MHz. As a comparison tool, BLT ceramics were prepared as well. Films and ceramics were sintered between 1400ºC to 1600ºC and their morphology and dielectric response assessed. BNT/BLT and BLT/BNT composite thick films were successfully prepared by electrophoretic deposition. By the combination of BLT and BNT layers a 30 μm composite thick film with εr ~71, TCεr ~-16ppm/ºC and loss tangent of 0.002 at 1 MHz were prepared. These results are of particular relevance since they combine the possibility to prepare thick films with tailored properties for high frequency and microwave properties with the aptitude to decrease the device size. Although preliminary these results open further technological opportunities, that should be more explored