JP2022515986A - 固体の同調可能なイオン発振器誘電材料および共振装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2018年8月1日に出願された米国仮出願第62/713,301号の利益を請求するものであり、その全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、米陸軍研究所よって助成された認可番号W911NF-14-1-0500の下で政府支援によって為されたものである。政府は、本発明に特定の権利を有する。
a.ドメイン壁は、十分な大きさおよび選択された周波数のDCまたはAC場の印加下で、またはゼロ場の下で、それらの位置で経時的に振動するか、または揺らぐ(例えば、強誘電ドメイン壁の運動と関連付けられた共振周波数を有するスペクトルを得る)。
b.これらの揺らぎのタイムスケールまたは速度は、静電ポテンシャルランドスケープ、およびドメイン幅またはドメイン壁密度、印加された場、温度、歪み(コヒーレントまたは緩和)、および/または応力)に応じて変化する。
c.これらの揺らぎと関連付けられた対応する周波数スペクトルは、ドメイン壁の軸と平行でかつその揺らぎに対して垂直な軸に沿って、材料の誘電損失(または相反損失Qのピーク)において1つ以上の最小値を呈する。
d.ドメイン壁を分離するドメインの幅は、揺らぐ。
E.材料は、その強誘電相内の強誘電体とすることができ(通常の強誘電体、不適当な強誘電体、ハイブリッドの不適当な強誘電体、リラクサ強誘電体)、いずれも、50,000nm2当たり1~100のドメイン壁の密度を呈する。
f.強誘電材料の例は、上述した高いドメイン壁密度を可能にする組成物および歪み状態の組み合わせで、BaTiO3、(Ba、Sr)TiO3(Baおよび/またはSrの組み合わせを含む)、PbTiO3、PZT、(Pb、Sr)TiO3、BiFeO3、Bi(Fe、Mn)O3、および多数の他の化合物であり、それによって、分極構成要素を有するドメイン構造が、弱いまたは強い(例えば、1MV/cm)秩序化電場が存在しても、完全にまたは部分的に膜の平面内に存在する。非限定的な例として、強誘電材料は、ペロブスカイトBaxSr1-xTiO3(BSTx)、PbTiO3、Pb(Zr、Ti)O3、(Pb、Sr)TiO3、BiFeO3、Bi(Fe、Mn)O3、および関連する固溶体、Ruddelson-Popper相An+1BnX3n+1、またはより一般的には、An+1A’2BnX3n+1、を含むことができ、ここで、A=SrまたはBa、B=Ti、およびX=Oなどの、AおよびA’は、アルカリおよび/またはアルカリ土類金属を表し、Bは、希土類金属、またはSrBi2Ta2O9、および関連する固溶体、BaTiO3、(Ba、Sr)TiO3、PbTiO3、PZT、(Pb、Sr)TiO3、BiFeO3、Bi(Fe、Mn)O3などの、他の強誘電体を表す。
g.温度は、100℃の強誘電相転移温度Tc以内である。
h.ドメイン壁は、任意のタイプとすることができる。例としては、c+/c-/c+/c-、a1/a2/a1/a2、aa1/aa2、r1/r2/r1/r2、a/c/a/c、ca1/ca2/ca1/ca2、ca*/aa*/ca*/aa*、c/a/c/a、または付録で識別される他の構造、または任意のそれらの混合物が挙げられる。
i.50,000 nm2当たり1~100のドメイン壁密度;40,000nm2当たり1~100または60,000nm2当たり1~100、または、などの他のドメイン壁密度を使用することができる。
a.高いQに対応するこれらの周波数は、印加場によって固定したままにすること、または印加場によってより高いもしくは低い周波数にシフトさせることができる。
b.周波数は、材料、ドメイン構造、ドメイン壁密度、歪み、温度、および印加場に応じて、0.01GHz~300GHzの範囲とすることができる。
1.その強誘電相内に強誘電材料を含む(例えば、共振器、発振器、装置、などに含むことができる)物品であって、該物品が、選択周波数において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う低損失信号伝搬を可能にするように構成される、物品。
2.高密度の1つ以上の(熱的に)強誘電ドメイン壁の揺らぎを含む強誘電材料を有する物品であって、該物品が、1つ以上の選択周波数において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う効率的な信号伝搬を可能にするドメイン壁を含み、ドメイン壁の密度が、50,000nm2当たり1~100の範囲である、物品。
3.その強誘電相内に強誘電材料を含む物品であって、該物品が、選択周波数において、かつ強誘電材料のTcまたはその20%以内において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う低信号伝搬損失を可能にするように構成される、物品。
4.その強誘電相内に薄膜形態で強誘電材料を含む物品であって、材料の組成物および歪みが、境界と交差するドメイン壁バリアント境界または頂点によって特定されるように、所与の温度に対して、2つ以上のエネルギー的に等価な、またはほぼエネルギー的に等価な熱力学的に予想されるドメイン壁バリアントのタイプにおいてまたはそれに関して、材料を安定させるように選択され、それによって、選択周波数において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う効率的な信号伝搬を可能にする、物品。
5.強誘電材料を含む場同調可能な物品であって、1つおよび/または複数の物品周波数の範囲および/または値が、強誘電材料に印加される電場に応じて、ドメイン壁発振周波数の変化に基づいて制御される、物品。
6.選択周波数が、0.01GHz~300GHzである、態様1~5のいずれか一項に記載の物品。
7.物品の1つまたは複数の物品周波数の範囲および/または値が、ドメイン壁の密度に基づいて制御される、態様1~5のいずれか一項に記載の物品。
8.品質係数Qの大きさが、ドメイン壁の密度によって制御され、ドメイン壁の密度と共に増加する、態様1~5のいずれか一項に記載の物品。
9.1つまたは複数の物品周波数の範囲および/または値が、強誘電ドメイン壁バリアントの1つおよび/または複数のタイプに基づいて制御される、態様1~5のいずれか一項に記載の物品。
10.1つまたは複数の物品周波数の範囲および/または値が、歪みの程度に基づいて制御される、態様1~5のいずれか一項に記載の物品。
11.強誘電材料が、通常の強誘電体、不適当な強誘電体、ハイブリッドの不適当な強誘電体、リラクサ強誘電体、初期強誘電体相、またはマルチフェロイック強磁性もしくは反強磁性強誘電体、のうちの1つを含む相にある、態様1~10のいずれか一項に記載の物品。
12.1つおよび/または複数の物品周波数の範囲および/または値が、強誘電分極のために、磁場のマルチフェロイック結合により、マルチフェロイック強磁性(または反強磁性)強誘電材料全体にわたって印加される磁場に応じた、ドメイン壁発振の変化に基づいて制御される、態様1~11のいずれか一項に記載の物品。
13.強誘電材料の化学組成が、BaTiO3、(Ba、Sr)TiO3、PbTiO3、PZT、(Pb、Sr)TiO3、BiFeO3、および関連する固溶体を含む、態様1~12のいずれか一項に記載の物品。
14.選択されたDCバイアスまたはゼロDCバイアスの下で、選択周波数で、および強誘電材料の100℃以内のTCで発振する、50,000nm2当たり1~100個のエンジニアリングされた平面二次元トポロジカル欠陥を有する強誘電材料を含む、物品。
15.選択周波数が、0.1GHz~300GHzである、態様14に記載の物品。
16.強誘電ドメイン壁の振動軸が、1つ以上の方向に沿って配向され、集団発振が、DCバイアス場の存在下および非存在下でのEM波の進行をサポートすることができることを示す、態様14~15のいずれか一項に記載の物品。
17.平面二次元トポロジカル欠陥が、ドメイン壁を備え、ドメイン壁が、DCまたはAC場の印加下で、またはゼロDCまたはAC場の下で、時間に関してそれらの位置において発振するか、または揺らぐ、態様14~16のいずれか一項に記載の物品。
18.揺らぎのタイムスケールまたは速度が、静電ポテンシャルランドスケープ、およびドメイン幅またはドメイン壁密度、印加された場、温度、歪み(コヒーレントまたは緩和)、および/または応力に応じて変化する、態様17に記載の物品。
19.揺らぎと関連付けられた対応する周波数スペクトルが、ドメイン壁の軸と平行でかつその揺らぎに対して垂直な軸に沿って、材料の誘電損失(または相反損失Qのピーク)において1つ以上の最小値を呈する、態様18に記載の物品。
20.ドメイン壁を分離するドメインの幅が揺らぐ、態様19に記載の物品。
21.強誘電材料が、その強誘電または常誘電相にある(通常の強誘電体、不適当な強誘電体、ハイブリッドの不適当な強誘電体、リラクサ強誘電体、初期強誘電体、マルチフェロイックまたは強誘電反強磁性物質)、態様14~20のいずれか一項に記載の物品。
22.強誘電材料が、BaTiO3、(Ba、Sr)TiO3、PbTiO3、PZT、(Pb、Sr)TiO3、BiFeO3、Bi(Fe、Mn)O3を含む、態様14~22のいずれか一項に記載の物品。
23.キャビティを形成する材料の固有の限度のものよりも少ない消散によって横電磁(TEM)波の伝搬をサポートするマイクロ波またはミリメータ波キャビティを有し、TEM波が、1つ以上のドメイン壁の発振によって、およびマイクロ波キャビティを形成する材料のTcまたはその近くで、搬送および/または変調され、ドメイン壁の密度が、50,000nm2当たり1~100の範囲である、装置。
24.マイクロ波キャビティが、ゼロバイアスまたは選択された有限DCバイアスの下で、選択周波数で発振する1つ以上のドメイン壁を含む強誘電材料を含む、態様23に記載の装置。
25.1つ以上のドメイン壁の振動軸が、1つ以上の方向に沿って配向され、そのゼロ場または有限DC場駆動の集団発振が、EM波の進行をサポートすることができることを示す、態様24に記載の装置。
26.強誘電材料が、その強誘電または常誘電相にある(通常の強誘電体、不適当な強誘電体、ハイブリッドの不適当な強誘電体、リラクサ強誘電体、初期強誘電体、マルチフェロイックまたは強誘電反強磁性物質)、態様23~25のいずれか一項に記載の装置。
27.強誘電材料が、BaTiO3、(Ba、Sr)TiO3、PbTiO3、PZT、(Pb、Sr)TiO3、BiFeO3、Bi(Fe、Mn)O3を含む、態様23~26のいずれか一項に記載の装置。
28.Qが、温度の増加と共に増加し、Tcへの近接度に依存し得る、態様23~27のいずれか一項に記載の装置。
29.Qの大きさが、物品を通るRF、マイクロ波、またはミリメータ波エネルギーの送信および/または反射をプローブする駆動信号の振幅に関連する、(温度によって与えられる)周囲の確率的ノイズの振幅に依存し得る、態様23~28のいずれか一項に記載の装置。
30.態様1~22のいずれか一項に記載の物品を作製する方法。
31.態様23~29のいずれか一項に記載の装置を作製する方法。
Claims (20)
- その強誘電相内に強誘電材料を含む物品であって、前記物品が、1つ以上の選択周波数において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う低損失信号伝搬を可能にするように構成される、物品。
- 高密度の1つ以上の強誘電ドメイン壁の揺らぎを含む強誘電材料を備える物品であって、前記物品が、1つ以上の選択周波数において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う効率的な信号伝搬を可能にするドメイン壁を含み、前記ドメイン壁の密度が、50,000nm2当たり1~100の範囲である、物品。
- 前記物品が、前記強誘電材料のTcまたはその20%以内において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う低信号伝搬損失を可能にするように構成される、請求項1~2のいずれか一項に記載の物品。
- その強誘電相内に薄膜形態で強誘電材料を含む物品であって、前記材料の組成物および歪みが、境界と交差するドメイン壁バリアント境界または頂点によって特定されるように、所与の温度に対して、2つ以上のエネルギー的に等価な熱力学的に予想されるドメイン壁バリアントのタイプにおいてまたはそれに関して、前記材料を安定させるように選択され、それによって、選択周波数において、超低誘電損失(103<Q<107または10-3>tanδ>10-7)を伴う効率的な信号伝搬を可能にする、物品。
- 1つおよび/または複数の揺らぎ周波数の範囲および/または値が、前記強誘電材料に印加される電場に応じて、ドメイン壁発振周波数の変化に基づいて制御される、請求項1~4のいずれか一項に記載の物品。
- 前記1つ以上の選択周波数が、0.01GHz~300GHzである、請求項1~5のいずれか一項に記載の物品。
- 前記物品の1つまたは複数の揺らぎ周波数の範囲および/または値が、前記ドメイン壁の密度に基づいて制御される、請求項1~5のいずれか一項に記載の物品。
- 品質係数Qの大きさが、前記ドメイン壁の密度によって制御され、ドメイン壁の密度と共に増加する、請求項1~5のいずれか一項に記載の物品。
- 前記1つまたは複数の揺らぎ周波数の範囲および/または値が、前記強誘電ドメイン壁バリアントの1つおよび/または複数のタイプに基づいて制御される、請求項1~5のいずれか一項に記載の物品。
- 前記1つまたは複数の揺らぎ周波数の範囲および/または値が、前記歪みの程度に基づいて制御される、請求項1~5のいずれか一項に記載の物品。
- 強誘電材料が、通常の強誘電体、不適当な強誘電体、ハイブリッドの不適当な強誘電体、またはマルチフェロイック強磁性もしくは反強磁性強誘電体、のうちの1つを含む相にある、請求項1~10のいずれか一項に記載の物品。
- 前記1つおよび/または複数の揺らぎ周波数の範囲および/または値が、強誘電分極のために、磁場のマルチフェロイック結合により、前記マルチフェロイック強磁性(または反強磁性)強誘電材料全体にわたって印加される磁場に応じた、ドメイン壁発振の変化に基づいて制御される、請求項1~11のいずれか一項に記載の物品。
- 前記強誘電材料が、選択された電気DCバイアスまたはゼロ電気DCバイアスの下で、前記1つ以上の選択周波数において、および前記強誘電材料の100℃以内の前記TCで発振する、40,000nm2当たり1~100個のエンジニアリングされた平面二次元トポロジカル欠陥を有する、請求項1~12のいずれか一項に記載の物品。
- 前記選択周波数が、0.1GHz~300GHzである、請求項13に記載の物品。
- 前記平面二次元トポロジカル欠陥が、ドメイン壁を備え、前記ドメイン壁が、DCまたはAC電場の印加下で、またはゼロDCまたはAC電場の下で、時間に関してそれらの位置において発振するか、または揺らぐ、請求項13~14のいずれか一項に記載の物品。
- 前記揺らぎのタイムスケールまたは速度が、静電ポテンシャルランドスケープ、およびドメイン幅またはドメイン壁密度、印加された場、温度、歪み(コヒーレントまたは緩和)、および/または応力に応じて変化する、請求項15に記載の物品。
- 強誘電材料が、ペロブスカイト、BaxSr1-xTiO3(BSTx)、PbTiO3、Pb(Zr、Ti)O3、(Pb、Sr)TiO3、BiFeO3、Bi(Fe、Mn)O3、またはRuddelson-PopperAn+1BnX3n+1、またはRuddelson-Popper相An+1A’2BnX3n+1、を含み、ここで、AおよびA’が、アルカリおよび/またはアルカリ土類金属を表し、Bが、希土類金属を表し、Xが、Oまたは他の強誘電体を表し、またはこれらの組み合わせである、請求項1~16のいずれか一項に記載の物品。
- 請求項1~17のいずれか一項に記載の物品を作製する方法。
- 請求項1~17のいずれか一項に記載の物品を備える共振器。
- 二重ウエルの2つの側部の間での系のノイズ誘起の揺らぎにより共振周波数を切り替えて、前記基本ドメイン壁の奇数の整数倍の周波数で共振を呈する、強誘電材料内の発振器または前記系/一群の結合された発振器。
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