ミリ波帯通信用の新しい高Q誘電体の材料開発とナノ構晶構造解析

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15360353
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Meijo University
• Principal Investigator: 小川 宏隆 名城大学, 理工学部, 教授 (20097760)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大里 齊 名古屋工業大学, 材料工学科, 教授 (20024333)
• Keywords: マイクロ波誘電体 / ナノ結晶構造解析 / 高Q材料 / ミリ波 / グリーンフェイス / コランダム

Research Abstract

本研究では、ミリ波帯通信に必要不可欠な新規の高Q・低誘電率誘電体材料の創製とナノ結晶構造解析による材料設計指針を確立するため、グリーンフェイス系材料(Y_2BaCuO_5)及びコランダム系材料(Mg_4Nb_2O_9)を中心に取り組んでいる。
グリーンフェイス系材料では、ナノ結晶構造解析によりR_2O_<11>多面体内のR-O間の結合強度変化が比誘電率及び誘電率の温度係数と密接な関係を有することを明らかにした。さらに、Cuサイトの遷移金属置換によりQ・f値の改善が認められ、特にZn置換ではG・f=165000GHzが得られている。これらの知見に基づいた組成制御により、Sm_2Ba(Cu_<1-x>Co_x)O_5においてε_r=16,Q・f=89000GHz,τ_f=-9ppm/℃が得られることが明らかとなった。
一方コランダム系材料では、NbのTa置換によりQ・f=347000GHzを持ち、アルミナに匹敵する高Q材料が得られている。さらに、分子軌道法によりTaO_6八面体内部の結合強度変化が高Q化に重要な役割を果すことが示唆された。
また、近年の通信機器の小型化、高性能化に対する要求があり、積層タイプのデバイスの開発が急務である。このためAgとの同時焼成が可能な高いQ・f値を有するLTCC(Low-temperature co-fired ceramics)が求められている。本研究では、特にコランダム系材料において、LiF添加による低温焼成化の効果が顕著に認められ、850℃においてQ・f>100000GHz以上の値が得られている。この値は、実用化されているAl_2O_3ベースのLTCC材料のQ・f値の100倍以上であり、高周波数化に十分対応可能な材料である。
上述のように本研究において、高いQ・f値を持つ新規のマイクロ波誘電体材料が得られつつあり、今後ナノ結晶構造解析による材料設計指針の確立に向けた詳細な検討が必要であるものと考えられる。またLTCC(材料では、従来タイプの低温焼成誘電体材料より遥かに低損失な誘電体基板の開発に向け、温度特性制御の可能性を検討し、高Q下でLTCC材料の創製を行う。

Research Products

• [Publications] H.Ogawa, A.Kan, S.Ishihara, Y.Higashida: "Crystal Structure of Corundum Type Mg_4(Nb_<2-x>Ta_x)O_9 Microwave Dielectric Ceramics with Low Dielectric Loss"Journal of the European Ceramic Society. 23. 2485-2488 (2003)
• [Publications] K.Mori, H.Ogawa, A.Kan, H.Ohsato: "Dielectric Property- Microstructure Relations in CoO Doped (Y_<2-x>Sm_x)BaCuO_5 Ceramics"Journal of the European Ceramic Society. 23. 2603-2606 (2003)
• [Publications] P.Liu, H.Ogawa, E.S.Kim, A.Kan: "Low-Temperature Sintering and Microwave Dielectric Properties of Ca(Li_<1/3>Ta_<2/3>)O_<3-δ>-CaTiO_3 Ceramics"Journal of the European Ceramic Society. 23. 2417-2421 (2003)
• [Publications] A.Kan, H.Ogawa, A.Yokoi, H.Ohsato: "Low-Temperature Sintering and Microstructure of Mg_4(Nb_<2-x>V_x)O_9 Microwave Dielectric Ceramics by V Substitution for Nb"Japanese Journal of Applied Physics. 42(1)・9B. 6154-6157 (2003)
• [Publications] A.Kan, H.Ogawa, K.Mori, H.Ohsato, Y.Ando: "Chemical Bonding Characteristics and Dielectric Properties of Nd_2(Ba_<1-x>Sr_x)ZnO_5 Solid Solutions"Journal of Materials Research. 18・10. 2427-2434 (2003)
• [Publications] A.Kan, H.Ogawa: "Low-Temperature Synthesis and Microwave Dielectric Properties of Mg_4Nb_2O_9 Ceramics Synthesized by a Precipitation Method"Journal of Alloys and Compounds. 364・1-2. 247-249 (2004)