Selected problems of materials science. Vol. 2. Nano-dielectrics metals in electronics. Mеtamaterials. Multiferroics. Nano-magnetics

The textbook examines physical foundations and practical application of current electronics materials. Modern theories are presented, more important experimental data and specifications of basic materials necessary for practical application are given. Contemporary research in the field of microelectronics and nanophysics is taken into account, while special attention is paid to the influence of the internal structure on the physical properties of materials and the prospects for their use. English-language lectures and other classes on the subject of the book are held at Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute at the departments of “Applied Physics” and “Microelectronics” on the subject of materials science, which is necessary for students of higher educational institutions when performing scientific works. For master’s degree applicants in specialty 105 “Applied physics and nanomaterials”.Розглянуто фізичні основи та практичне застосування актуальних матеріалів електроніки. Подано сучасні теорії, наведено найважливіші експериментальні дані та специфікації основних матеріалів, які потрібні для практичного застосування. Враховано сучасні дослідження у галузі мікроелектроніки та нанофізики, при цьому особливу увагу приділено впливу внутрішньої структури на фізичні властивості матеріалів і на перспективи їх використання. Англомовні лекції та інші види занять за тематикою книги проводяться в КПІ ім. Ігоря Сікорського на кафедрах «Прикладна фізика» та «Мікро-електроніка» за напрямом матеріалознавство, що необхідно студентам вищих навчальних закладів при виконанні наукових робіт. Для здобувачів магістратури за спеціальністю 105 «Прикладна фізика та наноматеріали»

Механизмы поляризации в термостабильной БЛТ керамике на сверхвысоких частотах Часть 2: Подавление «мягкой» моды парамагнетизмом

Об'єктами дослідження є вакансійні перовскітоподібні структури BaLn2Ti4O12 (БЛТ). Ці полікристалічні діелектрики виділяються серед багатьох інших СВЧ діелектриків тим, що їх проникність ε в кілька разів вища, ніж в інших типах СВЧ кераміки. Процес електронної релаксації із вкрай низькою енергією активації не впливає на НВЧ втрати, але визначає термостабільність БЛТ. Час релаксації дуже малий за рахунок нанорозмірних кластерів, електронних за своєю природою і вбудованих в структуру БЛТ. Діелектричні втрати в кераміці цього типу пов'язані зі структурним розупорядкуванням, особливо якщо присутня друга полярна фаза.The objects of study are vacant perovskite-like structures of BaLn2Ti4O12 (BLTs). These polycrystalline dielectrics allocated among many other microwave dielectrics that their permittivity ε is several times higher than in other types of microwave ceramics. Electronic relaxation process with extremely low activation energy has no influence on microwave losses but defines BLTs dielectric thermal stability. Very low relaxation time is due to the nanoscale clusters, electronic by their nature and build-in the BLT structure. Dielectric losses of this type ceramics are associated with structural disordering, especially if the second polar phase is present.Объектами исследования являются вакансионные перовскитоподобные структуры BaLn2Ti4O12 (БЛТ). Эти поликристаллические диэлектрики выделяются среди многих других СВЧ диэлектриков тем, что их проницаемость ε в несколько раз выше, чем в других типах СВЧ керамики. Процесс электронной релаксации с крайне низкой энергией активации не влияет на СВЧ потери, но определяет термостабильность БЛТ. Время релаксации очень мало за счет наноразмерных кластеров, электронных по своей природе и встроенных в структуру БЛТ. Диэлектрические потери в керамике этого типа связаны со структурным разупорядочением, особенно если присутствует вторая полярная фаза

Mode matching technique for computation of resonance frequencies of composite metal-dielectric resonator

Задача на власні коливання метало-діелектричного резонатора зведена до системи однорідних інтегральних рівнянь Фредгольма першого роду, яка розв’язана методом Галеркіна. Обчислювальна процедура ефективніша метода скінченних елементів. Показана висока чутливість резонансних частот нижчих типів коливань від величини повітряної щілини між металевою площиною та діелектриком, що може бути використано для створення компактних мікромеханічно-керованих резонансних елементів.The composite metal-dielectric resonator (CMDR) design is presented. An eigenproblem solution of the CMDR by mode matching technique is discussed. The problem is reduced to a set of homogeneous integral Fredholm equations of the first kind. The system is solved using Galerkin method. The technique is more efficient than FEM in terms of computational resources due to low rank of the system. It is shown that changing the air gap width between the dielectric and the metal plate provides the resonant frequency tuning. It is also shown that in order to achieve efficient electromechanical tuning of the CMDR resonant frequency, the resonant modes with a dominant electrical field component perpendicular to the air gap between the dielectric and the metal plate have to be selected. The tuning efficiency grows with the DR radius to thickness ratio and increasing permittivity. The CMDR can be used for creating compact high-Q micromechanical-tuned radiofrequency devices with wide tuning range.Задача о собственных колебаниях металло-диэлектрического резонатора сведена к системе однородных интегральных уравнений Фредгольма первого рода, которая решена методом Галеркина. Вычислительная процедура эффективнее метода конечных элементов. Показана высокая чувствительность резонансных частот низших типов колебаний от величины воздушного зазора между металлической плоскостью и диэлектриком, что может быть использовано для создания компактных микромеханически-перестраиваемых резонансных элементов

Розв’язання задачі дифракції на діелектричному клині, розміщеному між металевими плоскостями, методом часткових областей

Solution ofscattering problem on dielectric wedge placed between metal plates by boundary element method is discussed.The problem is reduced to set of Fredholm integralequations of the first kind.The set was solved by Galerkinmethod. Due to low dimension of resulting system of linear algebraic equations the method demonstrates high efficiencyand faster computation than finite elementand finite difference in time domainmethods.Proposed method can be applied for rigorous simulation of micromechanically controlled microwave devices.В работе обсуждается решение задачидифракции на диэлектрическом клине, расположенном между металлическими плоскостями методом частичных областей. Задача сведена к системе интегральных уравнений Фредгольма первого рода, которая решена методом Галеркина. За счет невысокого порядка решаемой системы линейных алгебраических уравнений вычислительная процедура более эффективна, чем в методе конечных элементов и методе конечных разностей во временной области. Рассчитанная многомодовая матрица рассеяния может быть использована для моделирования микромеханически перестраиваемых устройств.В роботі обговорюється розв'язання задачі дифракції на діелектричному клині, розміщеному між металевими плоскостями методом часткових областей. Задача зведена до системи інтегральних рівнянь Фредгольма першого роду, котра розв'язана методом Галеркіна. За рахунок невисокого порядку системи лінійних алгебраїчних рівнянь розрахункова процедура більш ефективна, ніж у методі кінцевих елементів та кінцевих різностей у часовій області. Розрахована многомодова матриця розсіювання може бути використана для моделювання пристроїв, що мікромеханічно перестроюютьс

Розрахунок резонансних частот складеного метало-діелектричного резонатора методом часткових областей

The composite metal-dielectric resonator (CMDR) design is presented. An eigenproblem solution of the CMDR by mode matching technique is discussed. The problem is reduced to a set of homogeneous integral Fredholm equations of the first kind. The system is solved using Galerkin method. The technique is more efficient than FEM in terms of computational resources due to low rank of the system. It is shown that changing the air gap width between the dielectric and the metal plate provides the resonant frequency tuning. It is also shown that in order to achieve efficient electromechanical tuning of the CMDR resonant frequency, the resonant modes with a dominant electrical field component perpendicular to the air gap between the dielectric and the metal plate have to be selected. The tuning efficiency grows with the DR radius to thickness ratio and increasing permittivity. The CMDR can be used for creating compact high-Q micromechanical-tuned radiofrequency devices with wide tuning range.Задача о собственных колебаниях металло-диэлектрического резонатора сведена к системе однородных интегральных уравнений Фредгольма первого рода, которая решена методом Галеркина. Вычислительная процедура эффективнее метода конечных элементов. Показана высокая чувствительность резонансных частот низших типов колебаний от величины воздушного зазора между металлической плоскостью и диэлектриком, что может быть использовано для создания компактных микромеханически-перестраиваемых резонансных элементов.Задача на власні коливання метало-діелектричного резонатора зведена до системи однорідних інтегральних рівнянь Фредгольма першого роду, яка розв’язана методом Галеркіна. Обчислювальна процедура ефективніша метода скінченних елементів. Показана висока чутливість резонансних частот нижчих типів коливань від величини повітряної щілини між металевою площиною та діелектриком, що може бути використано для створення компактних мікромеханічно-керованих резонансних елементів

Перелаштування мікросмужкових резонаторів НВЧ без погіршення добротності

Stub and ring resonators with resonance frequency micromechanical tuning are presented. Benefits and main differences of micromechanical resonance frequency tuning method from other methods are shown. Normalized dependences of effective permittivity on normalized air gap values for various microstrip line electrode width to substrate height ratios are obtained. Effective permittivity analytical formulas for the case of infinitely wide electrodes are derived. Calculated and experimental dependences of resonance frequency on air gap value and stub experimental unloaded quality factor dependences are given. Air gap influence on resonance frequency value depending on substrate permittivity is shown in terms of the resonance frequency sensitivity. Error estimation for measured experimental data is presented. Adding tunable heterogeneity between the microstrip resonator signal electrode and the substrate provides not only the resonance frequency tuning but preserves unloaded quality factor. The preservation of the unloaded quality factor during the resonance frequency tuning achieved due to the metal and dielectric loss reduction. Air gap doesn’t have dissipative losses and has permittivity of one, which makes it the best solution for unloaded quality factor preservation. Another important conclusion is that insertion of the air heterogeneity reduces values of dielectric and metal losses arising when substrates with high permittivity are used. For dielectric loss reduction, it is important to maintain low ratio of microstrip line width to substrate height. In contrast to dielectric losses for metal loss reduction the ratio of microstrip line width to substrate height should be high. However, that ratio is limited by impedance permissible range.Представлены шлейфовый и кольцевой резонаторы с микромеханическим управлением. Показаны основные отличия микромеханического метода перестройки резонансной частоты от других существующих методов, а так же их недостатки и преимущества. Приведены расчетные и экспериментальные зависимости резонансной частоты резонаторов от величины воздушного зазора между сигнальным электродом и подложкой, а также экспериментальные зависимости для собственной добротности шлейфового резонатора. Рассмотрены зависимости диэлектрических потерь и потерь в металлических частях микрополоскового резонатора от величины нормированного воздушного зазора. Представлена оценка погрешности измерений для приведенных экспериментальных данных.Перелаштування мікросмужкових резонаторів НВЧ без погіршення добротності Розглянуто шлейфовий і кільцевий мікросмужні резонатори з мікромеханічним перелаштуванням. Показані основні відмінності мікромеханічного методу перелаштування резонансної частоти від інших існуючих методів, а також їх недоліки і переваги. Приведені розрахункові та експериментальні залежності резонансної частоти резонаторів від величини повітряного проміжку між сигнальним електродом та підкладкою, а також експериментальні та теоретичні залежності для власної добротності шлейфового резонатора. Розглянуті залежності діелектричних втрат та втрат у металічних частинах мікромужкового резонатора від величини нормованого повітряного проміжку. Розглянута оцінка похибки вимірювань для приведених експериментальних даних

Pyroelectricity in Non-Central Crystals

Unit cell electric arrangement of piezoelectric crystals may be described by various multipole/octupole/dipole electric moments which corresponds to a three/two/one-dimensional intrinsic polarity respectively. Such a latent polar structure is totally self-compensated in piezoelectrics if they are mechanically free, but it is non-compensated in pyroelectrics and ferroelectrics. Uniform but anisotropic partial clamping destroys a total self-compensation of non-central crystal intrinsic polarity. This decompensation allows to observe a polar response that is a "dipole projection" ΔP$\text{}_{i}$ from, broken by clamping, spatial polar arrangement of piezoelectrics