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

Caracterización en frecuencia de microondas de películas de titanato de bario obtenidas vía Sol-Gel

El presente trabajo se centra en la caracterización estructural, morfológica y dieléctrica de películas de titanato de bario (BTO o BaTiO₃ por 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 μm 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 (εᵣ) de 160 con tangente de pérdida (Tanδ) 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.

I. INTRODUCCIÓN

Los materiales ferroeléctricos se caracterizan por presentar una polarización espontánea en ausencia de campo eléctrico[1].Esta particularidad ha llevado a las industrias electrónicas a utilizar estos materiales en la región de los GHz para la optimización y la miniaturización de aparatos de medición, analizadores de frecuencia y telefonía [2]. Uno de los materiales ferroeléctricos más común para ser aplicado en sintonización en frecuencia de microonda es el titanato de bario (BTO o BaTiO₃ por su fórmula química) [3-7]. Dicho proceso se puede realizar depositando películas del material mediante síntesis Sol-Gel sobre resonadores elaborados en guías de onda coplanar (Coplanar Waveguide, CPW) [8-9].

El proceso Sol-Gel consiste en la preparación de una solución coloide estable (“Sol”) a partir de precursores que producen una red de óxido macromolecular, que gelifica en una película cuando se seca [10-11]. Autores como O. Harizanov et al, S. Sharma et al, y D. Tripkovic et al, utilizaron la síntesis Sol-Gel para obtener películas delgadas de BTO por medio de técnicas de deposición como dip coating, spin coating e Inkjet, respectivamente [10, 12-13]. En este trabajo se presenta la caracterización dieléctrica del BTO, de modo que sea posible asegurar una εᵣ alta bajo condiciones estructurales y morfológicas aceptables.