DE3802150C2

DE3802150C2 -

Info

Publication number: DE3802150C2
Application number: DE3802150A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 5000 Koeln De Marquardt; Guenter Prof. Dr. 5020 Frechen De Nimtz
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: MARQUARDT, PETER, DR., 5000 KOELN, DE NIMTZ, GUENT
Priority date: 1987-07-14
Filing date: 1988-01-26
Publication date: 1992-04-09
Also published as: DE3802150A1; JPH02500869A; WO1989000754A1; EP0323990A1

Description

Ein solches Material ist verwendbar im elektromagnetischen Be reich und auch anderweitig, beispielsweise bei der Temperaturmes sung. Die Erfindung basiert auf Erkenntnissen über die elektri sche Leitfähigkeit gegeneinander isolierter, elektrisch leitfähi ger Partikel, beispielsweise von Indiumkristallen, mit Durchmes sern in der Größenordnung von 1 nm bis zu 1000 nm, die sich in einem nichtleitenden oder diamagnetischen Material befinden; diese Leitfähigkeit nimmt rapide mit abnehmendem Durchmesser ungefähr proportional zu dessen dritter Potenz ab, wie es in Fig. 1 für Indium bei einer Temperatur von etwa 300 K dargestellt ist, wobei x der Durchmesser und σ die elektrische Leitfähigkeit bedeuten. Man beachte den doppelt-logarithmischen Maßstab und den mit "experiment" bezeichneten Bereich der Versuchsmessungen. Zum Vergleich sind die nach bisherigen Methoden meßbaren Werte für makroskopische Leitfähigkeit (classical) und die Leitfähigkeit des Partikel-Materials (bulk) dargestellt. Die Messungen erfolg ten bei etwa 10 GHz; im Grundsatz ist dieser Effekt aber von nahezu Gleichstrom bis zu höchsten Frequenzen im IR-Bereich mit gleicher Tendenz vorhanden.

Aus der EP 02 08 391 A2 ist weiterhin eine magnetische Flüssig keit (ferrofluid) bekannt, die insbesondere als Dichtungsmittel zwischen einem feststehenden Gehäuse und einer dieses durchdrin genden rotierenden Welle verwendet werden kann. Bei solchen Dichtungsmitteln ist oft eine elektrische Leitfähigkeit er wünscht, damit z. B. elektrische Ladungen über das Dichtungsmittel abgeführt werden können. Die elektrische Leitfähigkeit entsteht dadurch, daß der als Trägermaterial, z. B. Öl, verwendeten Flüs sigkeit unter anderem fein verteilter Kohlenstoff hinzugefügt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Erscheinungen gezielt technisch nutzbar zu machen mit Hilfe von Materialien mit bestimmten, in weitem Bereich gewünschten dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Patentanspruch 1 angegebe nen Merkmale.

Weitere beispielhafte Verwendungen derartiger Materialien sind in den Unteransprüchen zusammengestellt. Unter mesoskopisch wird hierbei ein Abmessungsbereich zwischen makroskopisch und mikro skopisch verstanden, d. h. ungefähr zwischen 1 nm und 1000 nm.

Beim Nachweis der Materialeigenschaften solcher Materialien benutzt man vorteilhaft diejenige Methode, die beispielsweise Indiumpartikel mit Durchmessern von 20 nm in Öl, beispielsweise einen Ölfilm, dadurch ein bringt, indem diese Partikel direkt im Hochvakuum in das Öl gedampft werden. Hierbei rotiert das Öl um den Verdampfer. Es ergibt sich ein heterogenes Medium in Form eines Indium kolloids mit beispielsweise 0,5 Vol.% der Metallkomponente. Diese kann auf einen Füllfaktor f von etwa 0,20 bis etwa 0,35 durch anschließende Zentrifugation gesteigert werden bei etwa 70 000-facher Erdbeschleunigung. Heizt man die Kolloide, so setzt ein Zusammenballen der Partikel ein, was zu Partikelgrößen von mehreren 100 nm führt in Abhängigkeit von der Erhitzungstemperatur und der Heizdauer. Hierzu eignen sich besonders gut tiefschmelzende Materialien. Die Ballung erfolgt in der Nähe des Schmelzpunktes der Partikel. Unter f=0,2 gibt es keine dramatischen Ballungen. Das Partikelwachstum kann willkürlich unterbrochen werden durch anschließendes Abkühlen und fortgesetzt werden durch Wie dererhitzen der Proben im Sinne der Fig. 2. Andere geeignete Systeme sind z. B. Metall- oder Halbleiterteilchen in einer Keramik- oder Kunststoffmatrix (Trägermaterial).

Die Partikelgrößen und ihre Verteilungen lassen sich durch bekannte Verfahren, wie z. B. durch Elektronenmikroskopie und mittels Röntgenstrahlen (X-Ray Scattering) ermitteln. Fig. 3 zeigt die Röntgenstrahlintensität J×k (in willkür lichen Einheiten) in Abhängigkeit von dem Ablenkvektor k für ein Indiumkolloid bei einem Füllfaktor von etwa 0,25, und zwar einerseits quadratische Meßpunkte (Kurve A) vor dem Heizen und andererseits Kurve B nach dem Heizen. Bei Verwen dung einer Probe mit weniger Indium als in (B) ergibt sich Kurve C (dreieckige Meßpunkte).

Fig. 4 dient der Erläuterung der Leitfähigkeitsmessung mesoskopischer Metallpartikel. Hierzu wird eine Mikrowellen methode angewendet. Die komplexe dielektrische Funktion und damit die elektrische Leitfähigkeit wird aus der Mikrowel lenabsorption und der Phasenverschiebung eines mehrschicht förmigen Probekörpers (sandwich) gewonnen. Die Oszillations zeit der benutzten Mikrowellenmeßfrequenz von 10 GHz beträgt 10^-10 s und ist damit mehr als vier Größenordnungen größer als eine typische Relaxationszeit eines Metalls bei Raumtem peratur, wodurch die gemessene Mikrowellenleitfähigkeit näherungsweise auch für Gleichstrom gilt. Dabei wird die effektive Leitfähigkeit der gesamten Heterostruktur gemessen unter Berücksichtigung der dielektrischen Daten der reinen Ölmatrix. Beispielsweise kann man mit dieser Methode auch Komponenten in anderen isolierenden Matrizen messen, bei spielsweise Wasser in Öl in Form einer Mikroemulsion, Indium in Öl in kolloidaler Form oder Platin in Keramik.

In Fig. 4 bedeutet die effektive komplexe Dielektrizi tätsfunktion der Metallpartikel in Öl, das in Teflonscheiben eingefüllt ist. Dieses Teflon hat eine Dielektrizitätsfunk tion (ε_T).

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß mesoskopische Teilchen der vorbesprochenen Art je nach Größe eine Leitfähigkeit entsprechend σ∼x³ oder σ = konst. aufweisen. Dieses Verhalten bringt gravierende Konsequenzen für z. B. die Materialtechnologie, die moderne Mikroelektronik sowie die IR-Detektortechnologie.

Beispielsweise kann man durch Wahl der Größe der Partikel jeden Wert ihrer Leitfähigkeit vorgeben, der zwischen denje nigem von Isolatoren und Metall liegt, beispielsweise bei der Herstellung von Mikrowellenabsorbern. Gleichfalls kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil für Materialien benutzt werden, die Widerstände oder andere Leitungsbauele mente (Kondensatoren, Transformatoren) in VLSI-Schaltungen und Integrierten Mikrowellenschaltungen realisieren sollen.

Das Material kann wahlweise nach gewünschtem Absorptionsfaktor, Reflexionsfaktor und Frequenzbereich gewählt werden. Damit läßt sich in der Richtantennentechnik in vielen Anwendungsfällen mit großem Vorteil eine Antennenabdeckung, z. B. ein Radom einer Radar antenne, aufbauen, welche zwar für die Betriebswellenlänge transparent ist, nicht aber für im militärischen Bereich gegnerische einfallende Strahlung.

Eine Radartarnung ist mit dem Material derart möglich, daß quasi Totalabsorption erfolgt, was bei großen Zielobjekten aller dings in einer Umgebung mit radarreflektierenden Eigenschaf ten eine "Lochbildung" zur Folge haben kann, die die Tarnung illusorisch macht. In solchen Fällen ist es zweckmäßiger, bestimmte Radarechostrukturen zu erzielen, beispielsweise ein Reflexionsbild des Umgebungsraumes vorzutäuschen oder bewußt Radarscheinziele herzustellen.

Unter Ausnutzung der effektiven dielektrischen Eigenschaften des Materials lassen sich in der Mikroelektronik vorteilhaft Bauelemente, wie z. B. Kondensatoren und Widerstände, auf kleinstem Raum realisieren.

Im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich sind weitere Leitungsbauelemente, z. B. Transformatoren und Resonatoren, realisierbar, die an die spezifischen räumlichen Forderungen dieser Schaltung angepaßt werden können.

Im quasi-optischen und optischen Bereich läßt sich die Erfindung wegen der wählbaren dielektrischen Eigenschaften vorteilhaft für Bauelemente zur Strahlführung und Strahlfil terung einsetzen, wie z. B. bei Linsen und Wellenleitern (Lichtleitfaser).

Gemäß Fig. 5 weisen ungekühlte pyroelektrische IR-Detektoren nach dem Stand der Technik bei niedrigen Signalfrequenzen f eine hohe Detektivität D* auf, die jedoch in nachteiliger Weise bei höheren Signalfrequenzen f (größer ungefähr 10 Hz) stark abfällt (ausgezogene Kurve). Dieser Abfall von D* oberhalb 10 Hz wird durch die dielektrische Relaxation (RC-Zeit) bestimmt.

Werden nun in eine derartige pyroelektrische Substanz die mesoskopischen Teilchen eingebracht, so kann der Frequenzab fall von D* in vorteilhafter Weise zu höheren Frequenzen hin verschoben werden (gestrichelte Kurve).

Claims

1. Verwendung
- entweder eines bezüglich seiner dielektrischen Eigenschaf ten einstellbaren Materials, bei dem in eine elektrisch nicht leitendes Trägermaterial mesoskopische Partikel aus im makroskopischen Kompaktzustand elektrisch leitfähigen Stoffen eingebracht werden,
- oder eines bezüglich seiner magnetischen Eigenschaften ein stellbaren Materials, bei dem

a) in ein diamagnetisches Trägermaterial mesoskopische Partikel aus im makroskopischen Kompaktzustand elek trisch leitfähigen Stoffen
b) oder in ein ferro- und/oder paramagnetisches Trägermate rial mesoskopische Partikel aus im makroskopischen Kompaktzustand diamagnetischen Stoffen

eingebracht werden, wobei in allen Fällen das Trägermaterial ein Feststoff ist und wobei die mesoskopischen Partikel bezüglich ihrer Partikelab messungen nach einem vorgegebenen Gradienten und bezüglich des Füllfaktors nach Maßgabe eines gewünschten Absorptions- sowie Reflexionsfaktors gewählt werden,
als Absorber für elektromagnetische Wellen.

2. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 für eine Antennenab deckung.

3. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 für ein Radom einer Radarantenne.

4. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 zur Radartarnung.

5. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 zum Vortäuschen von elektromagnetischen Absorptions- sowie Reflexionsstrukturen vorgeb baren Musters bei der Radartarnung sowie der Radar-Scheinzielher stellung.

6. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 als Bauelement zur Strahlführung sowie Strahlfilterung im optischen sowie quasiopti schen Bereich.

7. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 als Detektormaterial für elektromagnetische Strahlung.

8. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 für elektronische Lei tungsbauelemente.

9. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 und Anspruch 8 in Ver bindung mit klassischen Wellenleitern.

10. Verwendung des Materials gemäß Anspruch 1 zur Herstellung elek tronischer Bauelemente in integrierten Schaltkreisen.