KR20210076894A - 고체 상태 튜닝 가능 이온 오실레이터 유전체 재료 및 공진 디바이스 - Google Patents
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Abstract
강유전체 위상(phase)인 강유전체 재료를 포함하는 물품으로서, 물품은 하나 이상의 선택된 주파수에서 초저 유전 손실로 신호의 저손실 전파를 가능하게 하도록 구성된다.
Description
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2018년 8월 1일자로 출원된 미국 가출원 제62/713,301호의 이익을 주장하며, 이 가출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 원용된다.
기술분야
기술 분야는 일반적으로 유전체 재료, 압전 재료, 강유전체 재료에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 기술 분야는 고체 상태 튜닝 가능 재료 및 오실레이터 디바이스에 관한 것이다.
정부 권리
본 발명은 미 육군 연구소(U.S. Army Research Office)가 수여하는 Grant No. W911NF-14-1-0500 하에서 정부의 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명의 특정 권리를 갖는다.
도메인에서 강유전체 분극의 오더링(Ordering)[W. J. Merz, Domain formation and domain wall motions in ferroelectric BaTiO3 single crystals, Phys. Rev. 95, 690-698 (1954).] 및 장(field) 아래의 응답 궤적[Ruijuan Xu, Shi Liu, Ilya Grinberg, J Karthik, Anoop R Damodaran, Andrew M Rappe, and Lane W Martin, Ferroelectric polarization reversal via successive ferroelastic transitions, Nature Mater. 14, 79-86 (2015)]은 비휘발성 메모리[A. Chanthbouala, A. Crassous, V. Garcia, K. Bouzehouane, S. Fusil, X. Moya, J. Allibe, B. Dlubak, J. Grollier, S. Xavier, et al., Solid-state memories based on ferroelectric tunnel junctions, Nature Nanotechnology 7, 101-104 (2012)], 트랜스듀서[P. Muralt, Ferroelectric thin films for micro-sensors and actuators: a review, Journal of Micromechanics and Microengineering 10, 136 (2000)] 및 전기 광학 디바이스[B. W. Wessels, Ferroelectric epitaxial thin films for integrated optics, Annu. Rev. Mater. Res. 37, 659-679 (2007)]에 대해 필수적일 수 있다.
그러나, 전기 통신 디바이스에서 커패시턴스 및 주파수 가변 능력의 전압 제어를 위해, 도메인 벽은 오랫동안 성가신 장애로 여겨져 왔으며, 적용된 전기장에 대한 응답에서 높은 유전 손실 및 히스테리시스로 이어진다. [G. Arlt, U. Bottger, and S. Witte, Dielectric dispersion of ferroelectric ceramics and single crystals at microwave frequencies, Ann. Phys. 506, 578 (1994)]. 이러한 유해한 영향을 피하기 위해, 튜닝 가능한 유전체는 종종, 강유전체 퀴리 온도 TC보다 훨씬 높은 작동에 의존하면서 압전 공진 조건에서 작동되고[Bob York, Tunable dielectrics for RF circuits, Ch. 6 of "Multifunctional Adaptive Microwave Circuits and Systems," M. Steer, ed. (2006)], 높은 튜닝 가능성과 낮은 손실이라는 두 가지 요구 사항 간에 피할 수 없는 트레이드 오프(trade-off)가 있는 것으로 보이며, 이는 튜닝 가능한 유전체 디바이스의 성능 지수에 대한 심각한 제한으로 이어진다.
현재 전기 통신 디바이스는 무선 주파수(RF) 스펙트럼에서 디바이스 주파수를 튜닝하는 기능에 의존하며, 최근 수십년에 걸친 현재의 벌크 및 박막 기반 음향파 필터, 공진기 및 기타 디바이스의 개발이 휴대 전화 소형화, 안테나 튜닝 및 현재 이동 통신 기술 발전을 허용하였다. 추가적인 전기 통신 발전(5G, IoT)은 스펙트럼의 보다 더 효율적인 사용을 요구하여, 더 높은 유전체 튜닝 가능성 n, 양호도 Q 및 성능 지수를 갖는 박막 유전체의 개발을 필요로 하고, 집중적인 연구 개발 노력을 유도했다. 특히, 결함, 스트레인, 인터페이스 및 극성(polar) 오더링과 같은 외적 효과가 집중적으로 조사되었고, 어떻게 기능적 특성이 크게 조정될 수 있는지, 대칭 파괴에서 진화되거나 인위적으로 유도될 수 있는지에 대한 최근 발전된 이해로부터 혜택을 받았다[C.-H. Lee, N. D. Orloff, T. Birol, Y. Zhu, V. Goian, E. Rocas, R. Haislmaier, E. Vlahos, J. A. Mundy, L. F. Kourkoutis, et al., Exploiting dimensionality and defect mitigation to create tunable microwave dielectrics, Nature 502, 532-536 (2013); A. R. Damodaran, E. Breckenfeld, Z. Chen, S. Lee, and L. W. Martin, Enhancement of ferroelectric Curie temperature in BaTiO3 films via strain-induced defect dipole alignment, Adv. Mater. 26, 6341-6347 (2014); A. R. Damodaran, C.-W. Liang, Q. He, C.-Y. Peng, L. Chang, Y.-H. Chu, and L. W. Martin, Nanoscale structure and mechanism for enhanced electromechanical response of highly strained BiFeO3 thin films, Adv. Mater. 23, 3170-3175 (2011].
강유전체(FE: ferroelectric) 도메인 벽으로부터의 민감성의 외적 향상[Y. L. Wang, A. K. Tagantsev, D. Damjanovic, and N. Setter, Giant domain wall contribution to the dielectric susceptibility in BaTiO3, Appl. Phys. Lett. 91, 062905 (2007)]은 도메인 벽이 풍부한 막의 생성을 통해 스트레인 엔지니어링에 의해 달성될 수 있으며, 이 경우 외적 특성은 결함 없는 벌크의 고유한 한계에 의해 제한되지 않는 유전 특성을 허용한다. 그럼에도 불구하고, 튜닝 가능한 유전체의 경우, 극성 도메인은 도움이 되지 않는 것으로 간주되고, 일반적으로 더 낮은 유전 손실과 높은 성능 지수 값을 얻도록 더 높은 재료 품질을 달성하기 위해서 억제되어야 하는 다른 결정 결함(예컨대, 산소 결핍)과 동일하다[A.K. Tagantsev, V.O. Sherman, K.F. Astafiev, J. Venkatesh, and N. Setter, Ferroelectric materials for microwave tunable applications, J. of Electroceramics 11, 5-66 (2003)]. 따라서, 튜닝 가능하고 저손실인 유전체를 위해 도메인 엔지니어링은 조사되지 않았다.
복잡한 강유전체 도메인 구조는 예측되었고, ABO3 박막, 예를 들어 PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, BaTiO3, (Ba,Sr)TiO3 and BiFeO3으로 실현되었다. 도메인 패턴은 스트레인 튜닝, 기판 종단의 배향, 균일한 막 조성물 또는 등급, 막 두께, 및/또는 전기적 경계 조건에 의해 설계 제작될 수 있다. 이러한 도메인 패턴은 유전, 초전(pyroelectric) 및 압전 특성에서 상당한 개선을 달성하도록 구성될 수 있다. 이 도메인 구성은 액추에이터, 메모리 요소 및 새로운 게이트에서 사용하는 데 가장 효과적이기 때문에, 단순한 c 도메인(예컨대, 면외 편광)으로 구성된 막이 가장 일반적이다. 그러나, 특히 박막에서 관련된 탈분극 장은 기능과 성능을 저하시키고, 시간 단위로(on the time scale of hour) 기록 상태를 제한하기도 한다.
강유전체 분극의 오더링 및 전기장에 응하는 이의 궤적은 강유전체 및 다강체(multiferroic)(예컨대, 강유전체-강자성체) 기반 비휘발성 메모리, 트랜스듀서, 전기 광학 디바이스, 아날로그 전압 튜닝 가능 필터, 안테나 및 위상 시프터, 및 전압 제어식 오실레이터 및 강유전체 압전 공진기(표면 및 벌크 음파 공진기를 포함하되 이에 국한되지 않음)에 대해 필수적이다.
현재, 강유전체 재료를 활용하는 전기 통신 디바이스에서 커패시턴스의 전압 제어 및 공진의 주파수 가변 능력의 전압 제어의 경우, 강유전체 분극 전압 (또는 전기장) 응답의 히스테리시스는 전압(전기장)을 사용하여 커패시턴스의 정밀하고 간편한 (예컨대, 단일 값) 제어를 설정하는 데 문제가 있으며, 바람직하지 않은 강유전체 히스테리시스를 억제하기 위해 강유전체 재료가 더 고온의 상유전체 위상으로 설계되고/되거나 작동될 것을 요구한다. 이는 강유전체 위상 전이 또는 퀴리 온도 Tc가 의도된 작동 온도 또는 온도 윈도우보다 현저히 낮아야 함을 의미한다.
주어진 강유전체 재료에 대한 유전체 유전율의 가장 큰 값, 및 따라서 커패시턴스 튜닝 가능성이 재료에 대한 Tc 또는 이 근처에서 발견된다는 점이 잘 알려져 있다. 그러나, 강유전체 재료의 유전체 유전율은 T> Tc의 온도에 따라 급격히 감소되며, 여기서 유전체 튜닝 가능성은 잔류 분극이 아닌 장(또는 전압) 유도된 강유전체 분극의 재배향에 의존한다. 따라서, 강유전체 히스테리시스의 억제에 대한 요구를 충족시키기 위해, 달성 가능한 유전체 또는 커패시턴스 튜닝 가능성의 크기가 희생된다.
tanδ 또는 그 역수인 양호도 Q로 표시되는 유전 손실은 위에서 언급된 많은 디바이스 및 응용 분야에서 사용되도록 의도된 재료의 성능을 측정하는 주요 척도이며, 특정 주파수를 전송하고 다른 주파수를 거절하는 능력(주파수 선택성)에 상당한 영향을 미친다. 재료의 무선 주파수 및 마이크로파 주파수 유전 손실(양호도)은 주파수 ω가 증가함에 따라 증가(감소)하는 것으로 잘 알려져 있으며, 일반적으로, 문헌[Tagantsev et al.]에 의해 강유전체를 위해 개선된 Akhiezer[Akhiezer, A. On the absorption of sound in solids, J. Phys. USSR 1, 277 (1939)]의 기본 이론에 따라 ω와 선형적으로 보다는 더 약하지 않게(더 강하게) 스케일링된다.
현재, 강유전체 및 비강유전체 압전 재료는, 필터, 안테나, 위상 시프터, 전압 제어 오실레이터, 및 벌크 및 표면 탄성파 공진기 등과 같은 RF 및 마이크로파 응용분야에 사용된다. 강유전체 재료는 일반적으로 비강유전체 위상으로 사용된다. 비용이 비싸지 않고 이용가능한 경우, 사파이어 또는 석영과 같은 벌크 형태의 단결정 압전 재료가 최저 손실 또는 최고 양호도를 제공하기 위해서 사용된다. 그러나, 비용이 비싸거나 재료가 단결정 형태로 이용 가능하지 않는 경우, 다결정 벌크 세라믹 재료가 사용되며, 이는 더 높은 손실 및 더 낮은 양호도를 가지나, 비용이 덜 비싸다.
단결정 또는 다결정, 비강유전체 압전 재료는 고유의 튜닝 가능성을 갖지 않는다. 즉, 전압이나 전기장의 적용은 재료가 압축되거나 팽창되게 할 수 있지만, 재료가 본질적으로 유전체 유전율을 변경할 수 있는 능력이 없다. 따라서, 온도 또는 압력으로 인한 작고 느린 변화를 제외하고는, 본질적으로 비강유전체 압전 재료가 주파수를 변경할 수 있는 실질적인 능력이 없다. 따라서, 비강유전체 압전 재료는, 재료 특성과 재료의 기하학적 구조에 의존하고, 실제로는 변경될 수 없는 특정 주파수 (모드) 세트에서 공진된다. 주파수의 변화는 비강유전체 압전 재료에서 이루어지고, 예를 들어, 고정된 주파수의 공진기 세트를 구성하고 통합한 다음, 확산 스펙트럼 주파수 호핑과 같은 기술을 사용하면서, 신호의 송수신 중에 서로 다른 압전 공진기들 사이에서 스위칭됨으로써, 통신 및 정보 기술에서 널리 채택된다. 이 접근 방식이 널리 사용되고 있지만, 새로운 스펙트럼이 이용 가능하고, 고려되고, 출시되고, 라이선스가 부여됨에 따라, 새로운 주파수 세트가 제공될 때마다 압전 공진기는 새로운 칩셋의 설계 및 제작을 요구하며, 현재 설계되고 제작된 압전 공진기 칩셋을 잠재적으로 쓸모 없게 만든다.
단결정 또는 다결정 강유전체 압전 재료는, 전압 또는 전기장이 잔재의 또는 유도된 강유전체 분극의 회전을 허용할 수 있는 상유전체 위상에 있는 경우에도 고유 튜닝 가능성을 가지고 있으며, 따라서 유전체 유전율의 더 큰 변화를 가능하게 하며, 이는 전압-튜닝 커패시턴스로서 실현될 수 있다. 전압-튜닝 가능 커패시터는, 아날로그 회로에 도입될 때, 부분적으로 조정 가능한 커패시턴스에 의존하는 공진 주파수의 튜닝을 허용한다. 따라서, 강유전체 압전은, 이산 고정 주파수와는 달리, 연속적인 주파수가 필요할 수 있는 전압-튜닝 가능 커패시터, 공진기 및 아날로그 회로에 대해서 여전히 매력적이다. 현재, 최고의 강유전체 압전 공진기는 최대 몇 퍼센트(<5 %)만큼 전압 튜닝될 수 있는 주파수를 나타낸다. 그러나, 현재의 강유전체 압전 재료는, 단결정이든 다결정 형태이든 관계 없이, 비강유전체 압전 재료보다 상당히 더 높은(더 낮은) 유전 손실(양호도)을 나타내므로, 이러한 주파수 민첩성에도 불구하고 바람직하지 않다.
RF 및 마이크로파 부품의 설계 및 제조는, 특히 공진기, 필터, 안테나 등, 및 집적 회로의 효율적이고 확장 가능한 제조를 위한 막 및 박막 강유전체 및 비강유전체 압전 기술의 사용을 통한 디바이스 및 디바이스 부품의 추가 소형화 추세에 따라 크게 주도된다. 이러한 기술의 확장은 더 낮은 전압 및 전력에서의 작동, 패키징의 용이성, 및 심지어 다른 기술과의 통합을 허용한다. 또한, 개별 커패시터 요소의 제조는 막 디바이스의 확장 가능한 고수율 처리를 통해 소형화에 의한 이득을 얻는다. 따라서, 압전 재료의 막 및 박막의 사용은 전술된 기술에 대해서 매우 유리하다.
상술된 바와 같이, 바람직한 막 형태의 비강유전체 압전 재료는, L, S 및 C 대역(<10 GHz)에서 103 정도의 높은 Q 값을, 실온에서 공진하여 나타내도록 디바이스 구조체로 설계 제작될 수 있다. 압전 공진기의 잘 발전된 미세 제작은 개별 주파수에서 RF 및 마이크로파 주파수 신호의 송수신을 가능하게 하며, 모바일 핸드셋 및 기타 무선 디바이스, 사물 인터넷 기술, 및 화학 특이적 결합 및 질량 축적으로 인한 주파수 시프트에 기반된 바이오 및 화학 센서에서의 적용을 허용할 수 있도록 손실이 충분히 낮다. 그러나, 주파수는 공진기 재료 및 기하학적 구조에 따라 고정되므로, 다른 주파수를 위한 다른 공진기 세트를 필요로 한다.
강유전체 및 비강유전체 압전 재료의 막은 벌크 대응물과 같이, 단결정 또는 다결정 형태로 형성될 수 있다. 다결정 막은 일부 응용 분야에 유리하고 생산하기가 더 쉽지만, 단결정 막은 RF 및 마이크로파 전력의 흐름을 방해하는 입자 경계를 갖지 않기 때문에 유전 손실 특성이 우수하다. 따라서, 단결정 강유전체(이의 상유전체 위상에 있음) 및 비강유전체 압전 막은 현재, 이와 관련하여 다결정 막보다 우수하다. 또한, 더 높은 농도의 점 결함 및/또는 전위를 갖는 강유전체 또는 비강유전체 단결정은 일반적으로 더 적은 점 결함 및 전위를 갖는 것보다 더 높은 손실을 나타낸다. 따라서, 고품질 단결정 에피택셜 막의 성장은, 선호되지 않지만, 다결정 막에 바람직하다.
유전 손실은 열적 모집단 계수(thermal population factor)를 갖는 결정(포논)에서 정상 모드의 소실과 관련이 있기 때문에, 온도 감소는 포논의 기여도 감소로 인해 유전 손실을 낮추고 다른 모든 요소는 동일하다. 따라서, 현재, 일정한 온도에서 주어진 화합물의 완벽한 결정은 유전 손실 또는 양호도의 잘 정의된 주파수 스케일링(scaling)을 가지고 있다. 유한한 열역학적으로 제한된 0이 아닌 결함 농도를 갖는 실제 결정에서는, 온도 의존적 유전 손실 또는 양호도에 대한 소위 고유 한계가 도달되지 않는다. 이는 벌크 단결정 및 저온 작동을 사용하여, 심지어 손실에 대한 저항성 기여를 줄이기 위해 초전도 전극을 사용하여 RF 및 마이크로파 적용을 장려했다.
현재, 유리한 에너지 고려 사항으로 인해 재료의 Tc 아래의 강유전체 재료에서 자발적으로 형성되는 강유전체 도메인 벽은, 점 결함, 전위 및 입자 경계와 같이 도메인 벽이 에너지 산란의 중요한 원천이고, 따라서 유전 손실의 중요한 원인이 될 수 있기 때문에 문제가 된다. 특히, 현재에, 유전 손실은 도메인 벽 유형에 관계없이 도메인 벽 밀도에 크게 의존된다. 따라서, 이러한 유해한 영향을 피하기 위해, 튜닝 가능한 유전체는 종종, 강유전체 퀴리 온도 TC보다 훨씬 높은 작동에 의존하면서 압전 공진 조건에서 작동되고, 높은 튜닝 가능성과 낮은 손실이라는 두 가지 요구 사항 간에 피할 수 없는 트레이드 오프(trade-off)가 있는 것으로 보이며, 이는 튜닝 가능한 유전체 디바이스의 성능 지수에 대한 심각한 제한으로 이어진다.
본 명세서에는 유전체 메타 재료와 같은, 도메인 벽이 밀집된 그리고 다수의 도메인 벽 변형이 설계 제작된 재료가 설명된다. 이러한 설계 제작에는 분극의 오더링이 포함될 수 있다. 예를 들어, 자발적인 강유전체 분극의 오더링은, 비휘발성 메모리, 압전 변환, 및 전기 광학 디바이스 및 커패시턴스의 전압 튜닝을 통해 작동되는 무히스테리시스 주파수 민첩성 필터 및 안테나에 필수적이다.
유전체, 압전 및 강유전체 특성의 증가를 설계 제작하는 것은, 초격자로 위상을 배열함으로써, 나노 복합체를 설계 제작함으로써, 이러한 결함을 무작위로 배치하는 것과 비교하여 유전 손실을 줄이는 방식으로 점 결함이 응집되도록 막을 설계 제작함으로써, 또는 잘 정의된 구조적 위상을 분리하는 위상공존 경계(morphotropic phase boundary)에서 또는 이 근처에서 작동되도록 구성된 고용체를 설계 제작함으로써 얻어지는 계면 구동 현상을 통해 실현되었다. 강유전체 박막에서, 도메인 벽이 풍부한 막의 생성을 통한 실온에서의 스트레인 엔지니어링에 의해서, 도메인 벽 피닝(pinning)으로부터 민감성의 외적 향상이 얻어질 수 있다. 두 개 이상의 열역학적으로 예측된 강유전체 도메인 벽 변형 유형 간의 위상 근접성과 접근성에 의해서 구별되는 이종 유전체 메타 재료들의 설계 및 구현이 제시된다.
통신, 내비게이션, 원격 측정 등에 대한 가장 주목되는 미해결 과학 및 기술 과제 중에는, 재료 비선형 응답 특성을 통해, 주파수 선택성, 스펙트럼 관리 및 감소된 전력 요건을 파괴적으로 진보시킬 수 있는 새로운 재료 및 디바이스 개념과 관련된 과제가 있다. 전파를 제어하고, 열역학 및 물리적 특성의 튜닝을 가능하게 하는 유전체 고체로 RF 마이크로파 에너지의 가능한 상호 작용의 영역을 확장하는 것은 외부 DC 및 EM 장에 대한 매체의 비선형 응답성의 새로운 소스를 식별하고 향상시키고 궁극적으로 이러한 상호 작용을 활용하는 데 중요하다.
마이크로파 오실레이터는, 낮은/높은 양호도, 좁은 대역폭 또는 큰 튜닝 가능성, 낮은 위상 노이즈, 저전력 소비/고출력 전력, 온도 안정성, 및 주파수 안정화 시간의 조합이 모두 중요한 고려 사항인 경우에, 중요한 역할을 한다. 유전체 공진기 오실레이터를 사용하거나, 표면 음향파(SAW) 또는 벌크 음향 파(BAW) 공진기, 또는 막 벌크 음향 파 공진기(FBAR)를 사용하여, 또는 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 내에서 구현되는지 여부에 관계없이, 현재의 솔리드 스테이트 마이크로파 오실레이터는, 단순한 디바이스 요소에서 튜닝 가능성에 대한 고유한 제한과 병치되는, 복잡한 회로가 설계 요구 사항을 충족시킬 것을 요구하는 높은 양호도에 대한 요구 사항 사이의 트레이드 오프에 의한 도전을 받고 있다. 또한, 유전 손실은, 이론적으로는 거의 도달하지 않지만, 본질적으로 제한되는 것으로 이해된다. 파라메트릭 전력 증폭기(PA)는, 거의 완벽한 RF-RF 변환 효율로 인해 트랜스컨덕턴스 PA에 대한 매력적인 대안으로 남아 있다. 또한, 파라메트릭 시스템은, 트랜스컨덕턴스 PA의 사용 가능한 대역폭을 제한하는 이득-대역폭 곱(gain-bandwidth product)의 영향을 받지 않을 것으로 예상된다. 파라메트릭 증폭기는 일반적으로 가변 AC 커패시터(variac)와 오실레이터의 두 가지 기본 구성 요소를 포함한다.
본 개시내용은, 강유전체 고체로 구현될 수 있고, 재료 밀도와 음파 속도보다는 결함의 밀도, 유형 및 특성에 기반하여 구성되고 제어될 수 있는 선택된 주파수에서 초저(ultra low) 손실을 가능하게 하는 새로운 원자 규모의 이온 오실레이터에 기반한 새로운 마이크로파 진동 매체에 관한 것이다.
본 출원에 대한 첨부 및 부록은 본 명세서에 통합되고, 달리 통합된 것처럼 출원의 일부인 것으로 간주된다. 이러한 첨부 및 부록에 개시된 특정 조성물 및 기타 특징, 및 이의 명백한 확장은 명세서 본문에 구체적으로 설명된 것처럼 본 발명의 추가 실시형태로 간주된다.
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도 1: 도메인 벽 변형물이 풍부한 재료의 설계 및 마이크로파 유전체 튜닝 가능성. a, Ba0.8Sr0.2TiO3에 대한 온도 및 면내 스트레인의 함수로서 면내 분극의 계산된 평균 값|P1|을 도시하는 도메인 벽 변형물을 선호하는 면내 분극의 열역학적 랜드스케이프. 아라비아 숫자는 열역학적으로 예측되는 다양한 도메인 벽 변형 구조체를 나타낸다.
도 2: 제로 장(b,d,f) 하의
10 K < TC에서 BaTiO3의 균등 스트레인 및 대응되는 비-축퇴(non-degenerate)(수직 파선 I 및 III) 및 축퇴(II) 도메인 변형물 위상 상태에 대한 도메인 구조체의 위상 필드(phase field) 시뮬레이션은 [100] (c, e, g)을 따라 적용된 0.1 MV/cm의 완화된 면내 장에서도 지속되는 높은 면외(b) 및 면내(d, f) 도메인 벽 밀도를 나타냈다. b와 c에 플로팅된 것은 ± 30 μC/cm2의 컬러 맵 범위를 가진 평면 정규 분극(plane-normal polarization) P 3이다. (d-g)에서 플로팅된 것은 면내 분극의 각도 θ = ± 90 °이며, 여기서 θ는 [100]과 두 면내 성분의 합 P1 + P2 사이의 각도이다.
도 3. 이 도메인 위상 변형 축퇴 점(degeneracy point)에 대한 근접성의 효과가 보여지고, 각각 스트레인 상태 I, II 및 III에 대응되고 GLD 모델을 사용하여 계산된 SrTiO3 상의, SmScO3 상의, 그리고 BaTiO3 상의 Ba0.8Sr0.2TiO3 막에서 상대 유전체 유전율 ε11/ε0의 이론적으로 예측된 면내 준 정적(quasi-static) 장 튜닝 가능성을 보여준다.
도 4는 실험적 2-포트, 서로 맞물린 전극 커패시터 형상의 도해.
도 5. 400㎚ 두께의 매니폴드 도메인 벽 변형물 재료(또는 메타 재료) 막 샘플 (Ba0.8Sr0.2TiO3/SmScO3(110))에 대한 선택된 주파수에서 평면 내 정규화된 커패시턴스 Cnorm(E)의 측정된 면내 장 튜닝으로서, 에피택셜 상유전체 (Ba,Sr)TiO3 (BST)[C. J. G. Meyers, C. R. Freeze, S. Stemmer, and R. A. York, (Ba, Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000, Appl. Phys. Lett. 109, 112902 (2016)] 및 Sr7Ti6O19 [C.-H. Lee, N. D. Orloff, T. Birol, Y. Zhu, V. Goian, E. Rocas, R. Haislmaier, E. Vlahos, J. A. Mundy, L. F. Kourkoutis, et al., Exploiting dimensionality and defect mitigation to create tunable microwave dielectrics, Nature 502, 532-536 (2013)]의 경우와 비교된다.
도 6. A 및 B: 초저 손실 및 튜닝 가능한 공진 성능의 장 의존적 공진 도메인 벽 스펙트럼 시그니처(spectral signature)를 나타내는 마이크로파 분광법. 실험적으로 결정된 Q는 a, 10 및 b, 6개의 IDC 전극 쌍이 있는 100㎚ 두께의 막에 대해 주파수 및 DC 면내 바이어스 장의 함수로 플로팅되며, 각각에 삽입된 것으로 나타나는 광학 현미경 사진에 표시된 대로 전극 핑거 너비 w 및 전극 간 간격 d로 정의된 기간 2W에 의해 구분된다(축척 바: 10 μm). C 및 D: A와 B의 디바이스에 대해 Q 피크가 얻어지는 주파수 및 장의 추출된 값은 공진 Q 피크가 발생하는 전압 의존적 주파수의 스펙트럼이 본질적으로 동일하다는 점, 및 공진 주파수가
0.1 MV/cm에서 
2 GHz로부터 
0.67 MV/cm에서 
10 GHz까지 
400% 만큼 바이어스 튜닝될 수 있으며 103이, 대략 106보다 작거나 같은 Q와 대략 같거나 더 작은 점을 보여준다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 디바이스에 대응되는, 범례에 도시된 선택된 주파수에 대한 DC 장 의존적 Q의 대표적인 트레이스(trace).
도 7. 4개의 서로 다른 장치에서 100개의 주파수에서 수집된 피크 Q는 약 10의 주파수에 걸쳐 10배 넘는 크기의 증가를 보이며, 이는 일반적인 1/f 스케일링 법칙에서 크게 벗어난다. 비교를 위해 벌크 단결정 석영, 사파이어 및 AlN 막 압전 공진기의 가장 높은 값이 도시되며, 이들 중 어느 것도 본질적으로 튜닝 가능하지 않으며(각 점은 개별 장치를 나타냄), 막 벌크 음향파 고체 장착 공진기(BAW-SMR: bulk acoustic wave solidly-mounted resonator)를 포함하여 본질적으로 튜닝 가능한 BST 막에 대해 보고된 것이 없다.
도 8. Q의 MD 시뮬레이션. a, Ex = 0.6 MV/cm에서 MD 슈퍼 셀 및 도메인 변동의 도해이며, P y > 0 도메인이 검은 색으로 도시되고, P y < 0 도메인이 회색으로 도시된다.
도 9. aa 1/aa 2 도메인 구조에 대해 실험적으로 얻어진 Q(왼쪽 패널) 및 MD 시뮬레이션의 Q y(오른쪽 패널). E = 0.09, E = 0.25 MV/cm 및 E = 0.5 MV/cm에 대해 표시된 실험 데이터. MD 데이터는 E = 0, E = 0.3 MV/cm(녹색) 및 E = 0.6 MV/cm에 대해 도시된다.
도 10. E = 0.6 MV/cm에서의 MD 시뮬레이션으로부터의 벌크형 층 100-113 및 DW 층 73-84에 대한 Q(f).
도 11. 120x10x10 슈퍼셀의 개별 층에 대한 호핑(hopping) 속도.
도 12. E = 0, E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm에 대한 MD 시뮬레이션으로부터 얻어진 총 P 시간 자기상관 함수.
도 13. 세 가지 다른 초기 조건을 사용하여 64x64x64 그리드 포인트를 포함하는 셀을 사용한 Case II의 위상 필드 시뮬레이션.
도 14. 각각의 도면 패널 아래에 표시된 바와 같은, G11, BTO에 대해 서로 다른 값을 사용하는 128x128x128 격자점을 포함하는 셀을 사용한 Case II의 위상 필드 시뮬레이션.
도 15. SmScO3(110) 상에 증착된 100㎚ 및 400㎚ 두께의 BST 에피택셜 막에서 수집된 X-선 회절. 막과 기판뿐만 아니라 작은 피크는 Umweg 피크의 결과로 간주된다.
도 16. 100㎚ 및 400㎚ 두께 x = 0.8 막 샘플에서 왼쪽에서 오른쪽으로 (103) 막 및 (332) SSO 기판 반사를 보여주는 역격자 공간 맵(RSM: reciprocal space map)은 막이 에피택셜이고 스트레인 일관적임을 확인한다.
도 17. 러더포드 후방 산란 분광법 분석 결과는 BST 막에서 얻어지고, 알려진 1% 오차 내에서 A-사이트 결함이 없음을 확인한다.
도 18. SSO 상에 있는 100 내지 120㎚ 두께의 Ba0.8Sr0.2TiO3 막 상에서 수집된 이중 진폭 공진 추적(DARTTM) 횡력 압전감응힘 현미경(PFM: piezoresponse force microscopy) 이미지(왼쪽에 진폭 및 오른쪽에 위상)이며, 결정학적 배향이 표시된다. 대각선 패턴은, 막이 본문에 설명된 바와 같이 밀도가 높은 aa 1/aa 2/aa 1/aa 2유형의 슈퍼도메인 구조체를 가지고 있다는 점을 확인한다. 축척 바는 1 μm에 대응한다.
도 19. 대표적인 10개의 2-포트 서로 맞물린 핑거 전극 커패시터(IDC) 디바이스의 광학 현미경 사진이며; 위에서 도시된 장치가 100㎚ 두께의 막 상에 제조되었고, 전극 간 간격이 3 μm이다.
도 20. 400㎚ 두께의 막 디바이스에서 수집된 대표적인 측정된 S 파라미터 데이터.
도 21. 100㎚ 및 400㎚ 두께 막 디바이스의 경우 면내 |E| = 0.67 MV/cm에 대한 튜닝 가능성 n(f)의 주파수 의존성.
도 22. 0.5 MV/cm에서 측정된 양호도 Q.
도 23. 1 MHz에서 측정된 제로 바이어스 온도 의존적 커패시턴스 및 손실.
도 24. 전압 스위프에 사용된 전압-시간 측정 시퀀스의 도해.
도 25. 동일한 주파수에서, 본문의 도 1h에 제시된 샘플에 대응되는 Q의 측정된 장 의존성.
도 26. 정류 양호도 CQF(f) = (n(f)-1)2 Q(0,f) Q(E,f)/n(f)[ I. B. Vendik, O. G. Vendik, and E. L. Kollberg, Commutation quality factor of two-state switchable devices, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48, 802-808 (2000).], 즉 n(E) 및 Q(E)를 통합하는 주요 메트릭은, 이 범위에서 현재까지 보고된 최고의 막보다 더 큰 값을 보여준다[C. J. G. Meyers, C. R. Freeze, S. Stemmer, and R. A. York, (Ba, Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000, Appl. Phys. Lett. 109, 112902 (2016)].
도 27. 4개의 광범위하게 튜닝 가능한 MDVM 막 디바이스에 대해 주파수의 함수로서 양호도-주파수 곱으로서 플로팅된 데이터, 및 다른 BST와 본질적으로 튜닝 가능하지 않은 디바이스에 대한 값. 인용 문헌은 본문에 있는 문헌에 대응된다.
도 28. TC 이상 및 이하의 선택된 온도에서 벌크 BaTiO3 슈퍼셀에 대한 결합 원자가 분자 동력학(BVMD: bond valence molecular dynamics)-계산된 단일 도메인 Q는 유전 손실의 주파수 및 온도 의존적 고유 한계의 식별을 허용한다.
도 29. 기판에 의한 클램핑이 있거나 없는 그리고 적용된 E 장이 있거나 없는 단일 도메인에 대한 BVMD 계산된 Q.
도 30. MD 시뮬레이션으로부터 정규화된 커패시턴스. 정규화된 커패시턴스(120x10x10 aa 1/aa 2 도메인 슈퍼셀의 MD 시뮬레이션에서 총 분극의 변동으로부터 얻어진 정적 유전 상수 ε. 피크 커패시턴스는 단일 도메인 계산으로부터 얻어진 200K의 TC보다 30K 더 낮은
170K에서 얻어진다.
도 31. MD 시뮬레이션의 분극 궤적. Q(f)를 계산하는 데 사용된 두 시뮬레이션에 대한 시간 함수로서 y 방향의 전체 슈퍼셀 분극. 두 시뮬레이션의 원시 Py 궤적은 검정색과 녹색으로 도시된다. 반치전폭(FWHM: full width-half maximum)이 16 ps인 가우스 윈도우 함수를 사용하여 평활화된 궤적은 주황색과 파란색으로 도시된다. (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm. 도메인 벽의 움직임에 대응되는 큰 Py 변동이 관찰된다. 도메인 벽 호핑은 E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm에서 더 빠르며, Py의 더 빠르고 큰 진동으로 이어진다.
도 32. 분극 자기 상관 함수 MD 시뮬레이션. E = 0 MV/cm (검정색), E = 0.3 MV/cm (녹색) 및 E = 0.6 MV/cm (빨간색)에서 개별 시뮬레이션에 대한 Py 구성 요소에 대한 총 분극 시간 자기 상관 함수(ACF: auto-correlation function). 모든 경우에서 큰 진동을 확인할 수 있으며, ACF 진동이 더 큰 장일 수록 더 빈번해지는 것이 명확하다. ACF의 샘플링 품질은 시간이 지날수록 감소되며, E = 0 MV/cm 궤적의 ACF는
8 ns 이전의 발산을 도시하고, 다음으로, E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm의 궤적의 ACF는 
12 ns 이전의 발산을 도시한다.
도 33. MD 시뮬레이션의 손실 탄젠트. 저주파 tanδ(f)는 (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm에 대한 개별 MD 시뮬레이션 (검정색 및 빨간색) 및 평균 tanδ(f)(파란색)의 ACF의 처음 9 ns의 푸리에 변환으로부터 얻어진다. 두 시뮬레이션의 tanδ(f)는 서로 유사하며, 이는 14 ns 궤적이 tanδ(f) 피크 및 저점의 위치에 대해 재현 가능한 결과를 생성하기에 충분히 길다는 것을 나타낸다. 그러나, 피크와 저점의 값은 약간의 변화를 보여주며, 이는 얻어진 tanδ(f) 및 Q 값의 불확실성을 나타낸다. 이것은 tanδ(f)의 작은 차이가 Q에서 매우 큰 차이로 이어질 수 있기 때문에 Q에 특히 중요하다. tanδ(f)의 값은 E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm에 대해 더 수렴된다. 그럼에도 불구하고, 음의 tanδ(f) 값과 빠른 tanδ(f) 진동은 E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm 데이터에서도 보여질 수 있으며, 이는 노이즈의 존재 및 데이터의 추가 평활화에 대한 필요성을 나타낸다.
도 34. MD 시뮬레이션의 평활화된 손실 탄젠트. 개별 MD 시뮬레이션(검정색 및 빨간색)의 tanδ(f)의 평균으로부터 얻어진 저주파 tanδ(f), 및 (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm에 대해, FWHM이 0.2(녹색) 및 0.3 GHz(자홍색)인 가우스 윈도우 함수를 사용하여 얻어진 평활화된 tanδ(f). 평활 함수의 사용은 비물리적 음의 tanδ(f) 값 및 tanδ(f)의 빠르고 큰 진동을 제거한다. 일부 경우에, 0.05의 FWHM으로 평활화하는 것이 충분하지만, 다른 경우에는 더 큰 FWHM을 사용하여 평활화하는 것이 필요하다.
도 35. MD 시뮬레이션으로부터의 Q(f). ACF의 서로 다른 길이의 푸리에 변환을 사용하여 개별 MD 시뮬레이션의 평균 tanδ(f)의 역으로부터 얻어진 Q(f). ACF의 3, 4, 5, 6 및 7 ns로부터의 tanδ(f)는 (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm에 대해 각각 검정, 빨강, 녹색, 파랑 및 노랑으로 도시된다. Q(f) 곡선은 FWHM이 0.05 및 0.1 GHz인 가우스 윈도우 함수를 사용하여 평활화된 tanδ(f)로부터 얻어진다. ACF의 3, 7, 8, 9, 10, 11 및 12 ns로부터의 Q(f)는 (d) E = 0 MV/cm, (e) E = 0.3 MV/cm, (f) E = 0.6 MV/cm에 대해 각각 검정색, 노란색, 갈색, 주황색, 보라색, 청록색, 자홍색으로 도시된다. E = 0 MV/cm의 경우, 7 ns보다 더 큰 ACF를 사용하여 얻어진 Q(f) 곡선이 손실 피크(Q의 하락)의 위치에서 큰 변화를 보이는 반면 , E가 0.3 MV/cm 및 0.6 MV/cm인 경우, 손실 피크 위치 및 피크 Q 위치는 대부분 보존된다는 점이 이해될 수 있다. Q의 절대값은 ACF의 길이에 따라 달라지며, 일부 경우에 따라
104에 도달된다. Q의 절대값의 불확실성에도 불구하고, 기준선을 넘는 공진 피크가 MD 시스템에 존재하고, f가 감소함에 따른 Q의 1/f 고주파 상승의 외삽보다 더 클 수 있음이 분명하다.
도 36. 다양한 전기장에 대한 MD 시뮬레이션으로부터의 Q(f)의 비교. Q(f)는 E = 0 MV/cm(검정색), E = 0.3 MV/cm(녹색) 및 E = 0.6 MV/cm(빨간색)에 대한 푸리에 변환을 사용하여 개별 MD 시뮬레이션의 평균 tanδ(f)의 역을 구했다. Q(f)는 (a) ACF의 7 ns (b) ACF의 9 ns 및 (c) ACF의 11 ns에서 수행된 푸리에 변환에 대해 도시된다. 더 높은 주파수로의 시프트와 기준선으로부터의 공진 피크의 더 큰 상승과 더 높은 최대 Q가 장 적용시 관찰된다.
도 37. MD 시뮬레이션에서 다른 계층들에 대한 자기상관 함수. E = 0.6 MV/cm에 대한 MD 시뮬레이션 궤적으로부터 얻어진 도메인 벽 영역(층 74 내지 86) 및 벌크 영역(층 100 내지 113)의 다른 층들에 대한 분극 시간 자기상관 함수. ACF DW 층은 긴 주기를 갖는 큰 진동을 보이는 반면, 벌크 층 ACF는 작은 주기를 갖는 작은 진동을 보이고, 플롯에서 0 주변의 청록색 선으로 나타난다.
도 38. 시간의 함수로서 DW 위치의 이동. Ex = 0 MV/cm (a) 및 Ex = 0.3 MV/cm (b)에서 MD 슈퍼셀 및 도메인 변동의 도해이며, Py > 0 도메인이 검정색으로 도시되고, Py < 0 도메인이 빨간색으로 도시된다.
도 39는 확률론적 모델 시뮬레이션으로부터 얻어진 Q(f)의 비교를 도시한다. 두 개의 다른 파라미터 세트를 사용하여 확률론적 모델 시뮬레이션으로부터 얻어진 Q(f)의 비교로서, 파라미터 세트 A에 대한 Q(f)는 검정색으로, 파라미터 세트 B에 대한 Q(f)는 빨간색으로 도시된다. 도 3에 도시된 MD-획득된 Q(f)와 유사하게, 더 높은 주파수와 더 높은 Q 피크로의 약간의 시프트는 확률론적 모델 전위의 변화에 의해 얻어질 수 있다.
도 40. (a) LFE 유형 디바이스, 즉 IDC 전극을 사용하여 얻어진 면내 바이어스 및 분극으로 인한 막에서 파동 벡터 k 3의 면외 압전 공진 진동, 및 (b) 기판으로부터 0% 및 0.05% 면내 스트레인 u s에 대한 t = 100㎚인 Ba0.8Sr0.2TiO3 박막에 대해 계산된 공진 및 반공진 주파수의 개략적인 도해.
도 41. (a) 핑거 갭 d, 너비 w 및 길이 l을 갖는 n 개의 핑거(여기서, 주기성 2W = 2(w+d))를 포함하는 IDC 전극(b)을 사용하여 달성된 면내 바이어스 및 분극으로부터 기인되는 막의 파동 벡터 k 1의 면내 압전 공진 진동, 및 (c) 2W = 20.6 μm 및 34.4 μm에 대한 공진 및 반공진 주파수의 계산된 결과의 개략적인 도해.
도 42. 위에서 설명된 바와 같이, 서로 다른 전극 핑거/갭 주기(F10 및 F06)를 갖는 대표적인 디바이스의 서로 다른 배율로 수집된 광학 현미경 이미지.
도 1: 도메인 벽 변형물이 풍부한 재료의 설계 및 마이크로파 유전체 튜닝 가능성. a, Ba0.8Sr0.2TiO3에 대한 온도 및 면내 스트레인의 함수로서 면내 분극의 계산된 평균 값|P1|을 도시하는 도메인 벽 변형물을 선호하는 면내 분극의 열역학적 랜드스케이프. 아라비아 숫자는 열역학적으로 예측되는 다양한 도메인 벽 변형 구조체를 나타낸다.
도 2: 제로 장(b,d,f) 하의
도 3. 이 도메인 위상 변형 축퇴 점(degeneracy point)에 대한 근접성의 효과가 보여지고, 각각 스트레인 상태 I, II 및 III에 대응되고 GLD 모델을 사용하여 계산된 SrTiO3 상의, SmScO3 상의, 그리고 BaTiO3 상의 Ba0.8Sr0.2TiO3 막에서 상대 유전체 유전율 ε11/ε0의 이론적으로 예측된 면내 준 정적(quasi-static) 장 튜닝 가능성을 보여준다.
도 4는 실험적 2-포트, 서로 맞물린 전극 커패시터 형상의 도해.
도 5. 400㎚ 두께의 매니폴드 도메인 벽 변형물 재료(또는 메타 재료) 막 샘플 (Ba0.8Sr0.2TiO3/SmScO3(110))에 대한 선택된 주파수에서 평면 내 정규화된 커패시턴스 Cnorm(E)의 측정된 면내 장 튜닝으로서, 에피택셜 상유전체 (Ba,Sr)TiO3 (BST)[C. J. G. Meyers, C. R. Freeze, S. Stemmer, and R. A. York, (Ba, Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000, Appl. Phys. Lett. 109, 112902 (2016)] 및 Sr7Ti6O19 [C.-H. Lee, N. D. Orloff, T. Birol, Y. Zhu, V. Goian, E. Rocas, R. Haislmaier, E. Vlahos, J. A. Mundy, L. F. Kourkoutis, et al., Exploiting dimensionality and defect mitigation to create tunable microwave dielectrics, Nature 502, 532-536 (2013)]의 경우와 비교된다.
도 6. A 및 B: 초저 손실 및 튜닝 가능한 공진 성능의 장 의존적 공진 도메인 벽 스펙트럼 시그니처(spectral signature)를 나타내는 마이크로파 분광법. 실험적으로 결정된 Q는 a, 10 및 b, 6개의 IDC 전극 쌍이 있는 100㎚ 두께의 막에 대해 주파수 및 DC 면내 바이어스 장의 함수로 플로팅되며, 각각에 삽입된 것으로 나타나는 광학 현미경 사진에 표시된 대로 전극 핑거 너비 w 및 전극 간 간격 d로 정의된 기간 2W에 의해 구분된다(축척 바: 10 μm). C 및 D: A와 B의 디바이스에 대해 Q 피크가 얻어지는 주파수 및 장의 추출된 값은 공진 Q 피크가 발생하는 전압 의존적 주파수의 스펙트럼이 본질적으로 동일하다는 점, 및 공진 주파수가
도 7. 4개의 서로 다른 장치에서 100개의 주파수에서 수집된 피크 Q는 약 10의 주파수에 걸쳐 10배 넘는 크기의 증가를 보이며, 이는 일반적인 1/f 스케일링 법칙에서 크게 벗어난다. 비교를 위해 벌크 단결정 석영, 사파이어 및 AlN 막 압전 공진기의 가장 높은 값이 도시되며, 이들 중 어느 것도 본질적으로 튜닝 가능하지 않으며(각 점은 개별 장치를 나타냄), 막 벌크 음향파 고체 장착 공진기(BAW-SMR: bulk acoustic wave solidly-mounted resonator)를 포함하여 본질적으로 튜닝 가능한 BST 막에 대해 보고된 것이 없다.
도 8. Q의 MD 시뮬레이션. a, Ex = 0.6 MV/cm에서 MD 슈퍼 셀 및 도메인 변동의 도해이며, P y > 0 도메인이 검은 색으로 도시되고, P y < 0 도메인이 회색으로 도시된다.
도 9. aa 1/aa 2 도메인 구조에 대해 실험적으로 얻어진 Q(왼쪽 패널) 및 MD 시뮬레이션의 Q y(오른쪽 패널). E = 0.09, E = 0.25 MV/cm 및 E = 0.5 MV/cm에 대해 표시된 실험 데이터. MD 데이터는 E = 0, E = 0.3 MV/cm(녹색) 및 E = 0.6 MV/cm에 대해 도시된다.
도 10. E = 0.6 MV/cm에서의 MD 시뮬레이션으로부터의 벌크형 층 100-113 및 DW 층 73-84에 대한 Q(f).
도 11. 120x10x10 슈퍼셀의 개별 층에 대한 호핑(hopping) 속도.
도 12. E = 0, E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm에 대한 MD 시뮬레이션으로부터 얻어진 총 P 시간 자기상관 함수.
도 13. 세 가지 다른 초기 조건을 사용하여 64x64x64 그리드 포인트를 포함하는 셀을 사용한 Case II의 위상 필드 시뮬레이션.
도 14. 각각의 도면 패널 아래에 표시된 바와 같은, G11, BTO에 대해 서로 다른 값을 사용하는 128x128x128 격자점을 포함하는 셀을 사용한 Case II의 위상 필드 시뮬레이션.
도 15. SmScO3(110) 상에 증착된 100㎚ 및 400㎚ 두께의 BST 에피택셜 막에서 수집된 X-선 회절. 막과 기판뿐만 아니라 작은 피크는 Umweg 피크의 결과로 간주된다.
도 16. 100㎚ 및 400㎚ 두께 x = 0.8 막 샘플에서 왼쪽에서 오른쪽으로 (103) 막 및 (332) SSO 기판 반사를 보여주는 역격자 공간 맵(RSM: reciprocal space map)은 막이 에피택셜이고 스트레인 일관적임을 확인한다.
도 17. 러더포드 후방 산란 분광법 분석 결과는 BST 막에서 얻어지고, 알려진 1% 오차 내에서 A-사이트 결함이 없음을 확인한다.
도 18. SSO 상에 있는 100 내지 120㎚ 두께의 Ba0.8Sr0.2TiO3 막 상에서 수집된 이중 진폭 공진 추적(DARTTM) 횡력 압전감응힘 현미경(PFM: piezoresponse force microscopy) 이미지(왼쪽에 진폭 및 오른쪽에 위상)이며, 결정학적 배향이 표시된다. 대각선 패턴은, 막이 본문에 설명된 바와 같이 밀도가 높은 aa 1/aa 2/aa 1/aa 2유형의 슈퍼도메인 구조체를 가지고 있다는 점을 확인한다. 축척 바는 1 μm에 대응한다.
도 19. 대표적인 10개의 2-포트 서로 맞물린 핑거 전극 커패시터(IDC) 디바이스의 광학 현미경 사진이며; 위에서 도시된 장치가 100㎚ 두께의 막 상에 제조되었고, 전극 간 간격이 3 μm이다.
도 20. 400㎚ 두께의 막 디바이스에서 수집된 대표적인 측정된 S 파라미터 데이터.
도 21. 100㎚ 및 400㎚ 두께 막 디바이스의 경우 면내 |E| = 0.67 MV/cm에 대한 튜닝 가능성 n(f)의 주파수 의존성.
도 22. 0.5 MV/cm에서 측정된 양호도 Q.
도 23. 1 MHz에서 측정된 제로 바이어스 온도 의존적 커패시턴스 및 손실.
도 24. 전압 스위프에 사용된 전압-시간 측정 시퀀스의 도해.
도 25. 동일한 주파수에서, 본문의 도 1h에 제시된 샘플에 대응되는 Q의 측정된 장 의존성.
도 26. 정류 양호도 CQF(f) = (n(f)-1)2 Q(0,f) Q(E,f)/n(f)[ I. B. Vendik, O. G. Vendik, and E. L. Kollberg, Commutation quality factor of two-state switchable devices, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48, 802-808 (2000).], 즉 n(E) 및 Q(E)를 통합하는 주요 메트릭은, 이 범위에서 현재까지 보고된 최고의 막보다 더 큰 값을 보여준다[C. J. G. Meyers, C. R. Freeze, S. Stemmer, and R. A. York, (Ba, Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000, Appl. Phys. Lett. 109, 112902 (2016)].
도 27. 4개의 광범위하게 튜닝 가능한 MDVM 막 디바이스에 대해 주파수의 함수로서 양호도-주파수 곱으로서 플로팅된 데이터, 및 다른 BST와 본질적으로 튜닝 가능하지 않은 디바이스에 대한 값. 인용 문헌은 본문에 있는 문헌에 대응된다.
도 28. TC 이상 및 이하의 선택된 온도에서 벌크 BaTiO3 슈퍼셀에 대한 결합 원자가 분자 동력학(BVMD: bond valence molecular dynamics)-계산된 단일 도메인 Q는 유전 손실의 주파수 및 온도 의존적 고유 한계의 식별을 허용한다.
도 29. 기판에 의한 클램핑이 있거나 없는 그리고 적용된 E 장이 있거나 없는 단일 도메인에 대한 BVMD 계산된 Q.
도 30. MD 시뮬레이션으로부터 정규화된 커패시턴스. 정규화된 커패시턴스(120x10x10 aa 1/aa 2 도메인 슈퍼셀의 MD 시뮬레이션에서 총 분극의 변동으로부터 얻어진 정적 유전 상수 ε. 피크 커패시턴스는 단일 도메인 계산으로부터 얻어진 200K의 TC보다 30K 더 낮은
도 31. MD 시뮬레이션의 분극 궤적. Q(f)를 계산하는 데 사용된 두 시뮬레이션에 대한 시간 함수로서 y 방향의 전체 슈퍼셀 분극. 두 시뮬레이션의 원시 Py 궤적은 검정색과 녹색으로 도시된다. 반치전폭(FWHM: full width-half maximum)이 16 ps인 가우스 윈도우 함수를 사용하여 평활화된 궤적은 주황색과 파란색으로 도시된다. (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm. 도메인 벽의 움직임에 대응되는 큰 Py 변동이 관찰된다. 도메인 벽 호핑은 E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm에서 더 빠르며, Py의 더 빠르고 큰 진동으로 이어진다.
도 32. 분극 자기 상관 함수 MD 시뮬레이션. E = 0 MV/cm (검정색), E = 0.3 MV/cm (녹색) 및 E = 0.6 MV/cm (빨간색)에서 개별 시뮬레이션에 대한 Py 구성 요소에 대한 총 분극 시간 자기 상관 함수(ACF: auto-correlation function). 모든 경우에서 큰 진동을 확인할 수 있으며, ACF 진동이 더 큰 장일 수록 더 빈번해지는 것이 명확하다. ACF의 샘플링 품질은 시간이 지날수록 감소되며, E = 0 MV/cm 궤적의 ACF는
도 33. MD 시뮬레이션의 손실 탄젠트. 저주파 tanδ(f)는 (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm에 대한 개별 MD 시뮬레이션 (검정색 및 빨간색) 및 평균 tanδ(f)(파란색)의 ACF의 처음 9 ns의 푸리에 변환으로부터 얻어진다. 두 시뮬레이션의 tanδ(f)는 서로 유사하며, 이는 14 ns 궤적이 tanδ(f) 피크 및 저점의 위치에 대해 재현 가능한 결과를 생성하기에 충분히 길다는 것을 나타낸다. 그러나, 피크와 저점의 값은 약간의 변화를 보여주며, 이는 얻어진 tanδ(f) 및 Q 값의 불확실성을 나타낸다. 이것은 tanδ(f)의 작은 차이가 Q에서 매우 큰 차이로 이어질 수 있기 때문에 Q에 특히 중요하다. tanδ(f)의 값은 E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm에 대해 더 수렴된다. 그럼에도 불구하고, 음의 tanδ(f) 값과 빠른 tanδ(f) 진동은 E = 0.3 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm 데이터에서도 보여질 수 있으며, 이는 노이즈의 존재 및 데이터의 추가 평활화에 대한 필요성을 나타낸다.
도 34. MD 시뮬레이션의 평활화된 손실 탄젠트. 개별 MD 시뮬레이션(검정색 및 빨간색)의 tanδ(f)의 평균으로부터 얻어진 저주파 tanδ(f), 및 (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm에 대해, FWHM이 0.2(녹색) 및 0.3 GHz(자홍색)인 가우스 윈도우 함수를 사용하여 얻어진 평활화된 tanδ(f). 평활 함수의 사용은 비물리적 음의 tanδ(f) 값 및 tanδ(f)의 빠르고 큰 진동을 제거한다. 일부 경우에, 0.05의 FWHM으로 평활화하는 것이 충분하지만, 다른 경우에는 더 큰 FWHM을 사용하여 평활화하는 것이 필요하다.
도 35. MD 시뮬레이션으로부터의 Q(f). ACF의 서로 다른 길이의 푸리에 변환을 사용하여 개별 MD 시뮬레이션의 평균 tanδ(f)의 역으로부터 얻어진 Q(f). ACF의 3, 4, 5, 6 및 7 ns로부터의 tanδ(f)는 (a) E = 0 MV/cm, (b) E = 0.3 MV/cm, (c) E = 0.6 MV/cm에 대해 각각 검정, 빨강, 녹색, 파랑 및 노랑으로 도시된다. Q(f) 곡선은 FWHM이 0.05 및 0.1 GHz인 가우스 윈도우 함수를 사용하여 평활화된 tanδ(f)로부터 얻어진다. ACF의 3, 7, 8, 9, 10, 11 및 12 ns로부터의 Q(f)는 (d) E = 0 MV/cm, (e) E = 0.3 MV/cm, (f) E = 0.6 MV/cm에 대해 각각 검정색, 노란색, 갈색, 주황색, 보라색, 청록색, 자홍색으로 도시된다. E = 0 MV/cm의 경우, 7 ns보다 더 큰 ACF를 사용하여 얻어진 Q(f) 곡선이 손실 피크(Q의 하락)의 위치에서 큰 변화를 보이는 반면 , E가 0.3 MV/cm 및 0.6 MV/cm인 경우, 손실 피크 위치 및 피크 Q 위치는 대부분 보존된다는 점이 이해될 수 있다. Q의 절대값은 ACF의 길이에 따라 달라지며, 일부 경우에 따라
도 36. 다양한 전기장에 대한 MD 시뮬레이션으로부터의 Q(f)의 비교. Q(f)는 E = 0 MV/cm(검정색), E = 0.3 MV/cm(녹색) 및 E = 0.6 MV/cm(빨간색)에 대한 푸리에 변환을 사용하여 개별 MD 시뮬레이션의 평균 tanδ(f)의 역을 구했다. Q(f)는 (a) ACF의 7 ns (b) ACF의 9 ns 및 (c) ACF의 11 ns에서 수행된 푸리에 변환에 대해 도시된다. 더 높은 주파수로의 시프트와 기준선으로부터의 공진 피크의 더 큰 상승과 더 높은 최대 Q가 장 적용시 관찰된다.
도 37. MD 시뮬레이션에서 다른 계층들에 대한 자기상관 함수. E = 0.6 MV/cm에 대한 MD 시뮬레이션 궤적으로부터 얻어진 도메인 벽 영역(층 74 내지 86) 및 벌크 영역(층 100 내지 113)의 다른 층들에 대한 분극 시간 자기상관 함수. ACF DW 층은 긴 주기를 갖는 큰 진동을 보이는 반면, 벌크 층 ACF는 작은 주기를 갖는 작은 진동을 보이고, 플롯에서 0 주변의 청록색 선으로 나타난다.
도 38. 시간의 함수로서 DW 위치의 이동. Ex = 0 MV/cm (a) 및 Ex = 0.3 MV/cm (b)에서 MD 슈퍼셀 및 도메인 변동의 도해이며, Py > 0 도메인이 검정색으로 도시되고, Py < 0 도메인이 빨간색으로 도시된다.
도 39는 확률론적 모델 시뮬레이션으로부터 얻어진 Q(f)의 비교를 도시한다. 두 개의 다른 파라미터 세트를 사용하여 확률론적 모델 시뮬레이션으로부터 얻어진 Q(f)의 비교로서, 파라미터 세트 A에 대한 Q(f)는 검정색으로, 파라미터 세트 B에 대한 Q(f)는 빨간색으로 도시된다. 도 3에 도시된 MD-획득된 Q(f)와 유사하게, 더 높은 주파수와 더 높은 Q 피크로의 약간의 시프트는 확률론적 모델 전위의 변화에 의해 얻어질 수 있다.
도 40. (a) LFE 유형 디바이스, 즉 IDC 전극을 사용하여 얻어진 면내 바이어스 및 분극으로 인한 막에서 파동 벡터 k 3의 면외 압전 공진 진동, 및 (b) 기판으로부터 0% 및 0.05% 면내 스트레인 u s에 대한 t = 100㎚인 Ba0.8Sr0.2TiO3 박막에 대해 계산된 공진 및 반공진 주파수의 개략적인 도해.
도 41. (a) 핑거 갭 d, 너비 w 및 길이 l을 갖는 n 개의 핑거(여기서, 주기성 2W = 2(w+d))를 포함하는 IDC 전극(b)을 사용하여 달성된 면내 바이어스 및 분극으로부터 기인되는 막의 파동 벡터 k 1의 면내 압전 공진 진동, 및 (c) 2W = 20.6 μm 및 34.4 μm에 대한 공진 및 반공진 주파수의 계산된 결과의 개략적인 도해.
도 42. 위에서 설명된 바와 같이, 서로 다른 전극 핑거/갭 주기(F10 및 F06)를 갖는 대표적인 디바이스의 서로 다른 배율로 수집된 광학 현미경 이미지.
본 개시내용은 새로운 디바이스를 가능하게 하는 원자 규모 도메인 벽 변동에 기반된 마이크로파 유전체 진동 매체를 위한 프레임워크에 관한 것이다. 이 새로운 메타 유전체 박막 재료는 재료 특이적 고유 한계를 극복하는 낮은 손실을 가능하게 한다. 이러한 극성 매체는, 이들이 선택된 DC 바이어스 하에서 여러 선택된 주파수로 진동되는 고밀도의 특수하게 설계 제작된 평면 결함을 갖는다는 점에 의해서 구별된다. 내부 오실레이터의 진동 축선은 랜덤하지 않고, 대신에 하나 이상의 선호 방향을 따라 배향되며, 이는 DC 장 구동형 집단 진동(collective oscillation)이 이동되는 EM 파를 지지할 수 있다는 점을 나타낸다. 또한, 실험 관찰 및 모델 계산 결과는 진동 주파수가 제어되고 튜닝될 수 있다는 점을 나타낸다. 공진 주파수가 선험적으로 기하학적 치수와 음향 모드가 아니라 매체 내에서 발생되는 튜닝 가능한 나노 스케일 오실레이터에 의존하는 고체 상태 마이크로파 매체의 가용성은 재료 비선형 응답 특성을 통해 주파수 선택성, 스펙트럼 관리 및 감소된 전력 요구 사항에 대한 다수의 가능성을 열어준다.
강유전체 불안정성을 가지며 다음이 이루어지도록 강유전체 상 내부 또는 근처에서 고밀도의 강유전체 도메인 벽을 가지는 재료:
a. 충분한 크기와 선택된 주파수의 DC 또는 AC 장의 적용, 또는 제로 장(zero field) 하에서, 도메인 벽은 시간에 따라 이의 위치에서 진동되거나 변동된다(예컨대, 강유전체 도메인 벽 운동과 관련된 공명 주파수를 가진 스펙트럼을 생성).
b. 이러한 변동의 시간 척도 또는 속도는 정전기 전위 지형과 도메인 폭 또는 도메인 벽 밀도, 적용된 장, 온도, 스트레인(일관적 또는 완화됨) 및/또는 응력에 따라 달라진다.
c. 이러한 변동과 관련된 대응되는 주파수 스펙트럼은 도메인 벽의 축선에 평행하고 이의 변동에 수직인 축선을 따라 재료 유전 손실에서 하나 이상의 최소값(또는 상호 손실(reciprocal loss)의 피크, Q)을 나타낸다.
d. 도메인 벽을 분리하는 도메인의 폭이 변동된다.
e. 재료는 강유전체 위상의 강유전체(일반 강유전체, 특이 강유전체(improper ferroelectric), 하이브리드 특이 강유전체, 릴랙서 강유전체(relaxor ferroelectric))일 수 있으며, 이들은 50,000㎚2 당 1 내지 100의 밀도의 도메인 벽을 나타낸다.
f. 강유전체 재료의 예는, 조성 및 스트레인 상태의 조합으로 앞에서 언급된 높은 도메인 벽 밀도를 허용하는, BaTiO3, (Ba, Sr) TiO3 (Ba 및/또는 Sr의 조합 포함), PbTiO3, PZT, (Pb, Sr)TiO3, BiFeO3, Bi(Fe, Mn)O3 및 기타 다양한 화합물이며, 이에 의해, 도메인 구조는 약하거나 강한(예를 들어, 1 MV/cm) 오더링(ordering) 전기장의 존재 하에서도 막의 평면에 완전히 또는 부분적으로 놓인다. 비제한적인 실시예로서, 강유전체 재료는 페로브스카이트 BaxSr1-xTiO3 (BSTx), PbTiO3, Pb(Zr, Ti)O3, (Pb, Sr)TiO3, BiFeO3, Bi(Fe, Mn)O3 및 관련 고용체; Ruddelson-Popper 상 An+1BnX3n+1, 또는 보다 일반적으로 An+1A'2BnX3n+1(여기서 A 및 A'은 알칼리 및/또는 알칼리 토금속을 나타내고, B는 희토류 금속을 나타내며, 예를 들어, A = Sr 또는 Ba, B = Ti 및 X = O임), 또는 다른 강유전체(SrBi2Ta2O9 및 관련 고용체 BaTiO3, (Ba, Sr) TiO3, PbTiO3, PZT, (Pb, Sr)TiO3, BiFeO3, Bi(Fe, Mn)O3)를 포함할 수 있다.
g. 강유전체 상전이 온도(Tc)의 100℃ 이내 온도
h. 도메인 벽은 모든 유형이 될 수 있다. 예는 c+/c-/c+/c-, a 1 /a 2 /a 1 /a 2 , aa 1 /aa 2 , r 1 /r 2 /r 1 /r 2 , a/c/a/c, ca 1 /ca 2 /ca 1 /ca 2 , ca*/aa*/ca*/aa*, c/a/c/a, 또는 부록에서 식별되는 다른 구조 또는 이들의 혼합을 포함한다.
i. 50,000㎚2 당 1 내지 100의 도메인 벽 밀도; 다른 도메인 벽 밀도(예를 들어, 40,000㎚2 당 1 내지 100 또는 60,000㎚2 당 1 내지 100)가 사용될 수 있다.
도메인 벽 진동은, 유전체 재료 손실이 매우 낮을 수 있는 하나 이상의 주파수 또는 주파수 대역을 생성하고, 재료(Q)는 고유 한계를 초과할 수 있고, 다음 특징부를 포함할 수 있다:
a. 높은 Q에 대응되는 이러한 주파수는 적용된 장으로 고정된 상태로 유지되거나 적용된 장으로 더 높거나 낮은 주파수로 시프트될 수 있다.
b. 주파수는, 재료, 도메인 구조, 도메인 벽 밀도, 스트레인, 온도 및 적용된 장에 따라 0.01 GHz 내지 300 GHz일 수 있다.
도메인 벽(DW) 진동을 포함하여, 낮은 유전 손실/높은 Q가 이방성이고(장의 적용 하에서 모든 방향으로 반드시 발생하지는 않는다), 따라서, 마이크로파 및 RF 대역 전자기 에너지가 하나 이상의 바람직한 방향으로 상당히 적은 손실로 전파되는 것을 허용하는 재료.
거의 또는 전혀 소실 없이, 도메인 벽 진동에 의해 전달되고/되거나 변조되는 횡방향 전자기(TEM: transverse electromagnetic) 파의 전파를 지원하는 마이크로파 캐비티.
본 개시내용은 (a) 모델 BaTiO3 (BTO) 시스템(방법)의 결합 원자가 전위 분자 역학(MD) 시뮬레이션에서 얻은 데이터 및 실험 데이터의 비교를 사용하여 실험적으로 관찰된 비정상적으로 큰 Q 스파이크의 기원, (b) 또한 예외적으로 큰, 관찰된 Q 스파이크의 전압(또는 전기장) 튜닝 가능성, 및 (c) 동일한 재료의 RF 및 마이크로파 대역에서 유전체 유전율의 예외적으로 높은 전압 튜닝 가능성 및 (주파수 튜닝 가능) Q 스파이크의 발생에 관한 것이다.
열역학적 긴즈버그-란다우-데븐셔(GLD: Ginzburg-Landau-Devonshire) 모델 계산은, 면내(in-plane) 도메인을 통해 큰 면내 유전율 값을 얻을 수 있다는 가설을 뒷받침한다. 현상학적 GLD 모델의 적용은, BST 막(도 1)에 대해서 예측되는 다수의 추가적인 도메인 변형물("superdomain"[ S. Matzen, O. Nesterov, G. Rispens, J. A. Heuver, M. Biegalski, H. M. Christen, and B. Noheda, Super switching and control of in-plane ferroelectric nanodomains in strained thin films, Nature Commun. 5, 4415 (2014)])을 사용하여 면내 스트레인 u s-온도(T)-분극(P) 위상 다이어그램(도 1)의 계산을 허용한다. 예를 들어, x = 0.8에 초점을 맞추면, 다수의 도메인 벽 변형물 위상이 실온 근처에서 교차될 것으로 예측되는 정점이 위상 다이어그램에서 생성된다(도 1). 다양한 변형물들 사이의 근접성과 높은 접근성에 주의하며, 위상 다이어그램의 이 영역은 매니폴드 도메인 벽-변형물 재료(MDVM: manifold domain wall-variant material)라고 불릴 수 있다.
선택된 세 가지 스트레인 상태(도 1에서 노란색 파선 I, II 및 III에 의해서 표시됨)에 대한 제로 및 유한-장(finite-field) 위상-필드(phase-field) 모델 계산은 압축 스트레인된 막에 대한 예상 c +/c- 구조(I)와 중간 인장 스트레인 하에서 막에 대한 면내 도메인 구조(III)를 확인한다(도 2). 적당히 큰 장([100]을 따라 0.1 MV/cm)의 적용은, I 및 III의 도메인 구조를 본질적으로 변경되지 않은 상태로 남긴다(도 2). MDVM 재료에 대응되는 II의 경우, 제로 장에서 aa 1/aa 2 도메인 벽 변형물 구조가 예측되어, 위상 다이어그램에서 이의 위치와 일치되는 다수 도메인 벽 변형물 공존을 시사한다. I 및 III에 비해 더 부드러운, II에 대한 3차원 위치 에너지 환경에도 불구하고, 도메인 구조는 중간 장에서 제거되지 않으며(도 1), 이는 전기장 하에서 도메인 구조가 제거될 수 없는 에피택셜 막에 대한 보고와 일치한다[Griggio, F. et al. Composition dependence of local piezoelectric nonlinearity in (0.3)Pb(Ni0.33Nb0.67)O3-(0.7)Pb(Zr x Tu1- x )O3 films. J. Appl. Phys. 110, 044109 (2011)].
MDVM-설계 제작된 막에 대한 유전체 유전율 값은 유전체 박막에 대한 조성물-특이적 최신 기술을 넘어선다: 제로-장 상대적 유전체 유전율 ε11/ε0(relative dielectric permittivity)에 대한 이론적으로 예측된 값은 쉽게 10,000을 초과하여, 선택한 조합의 경우 105에 도달한다. 더 높은 유전율은 향상된 유전체 및 커패시턴스 튜닝 가능성(n(E) = εr,max/εr,min (=Cmax/Cmin))을 촉진하며, 여기서 εr은 유전체 유전율의 실수부, Cmax 및 Cmin은 제로 및 인가된 전기장(E)에서의 커패시턴스이며, 위상 경계에 대한 근접성에 의해서 지원된다.
MDVM 막에서 이론적으로 계산된 준 정적 면내 튜닝 가능성은 상당히 클 수 있다. 예를 들어, SmScO3(110) 상에서 일관적으로 스트레인된 x = 0.8 막(u s 
0.05%, 케이스 II)은 E1 = 0.3 MV/cm에서 튜닝 가능성 n(E1) > 20을 갖는 것으로 예측되는 반면, SrTiO3 (I) 및 BaTiO3 (III) 상의 막에 대한 n은 상당히 약하다(도 3).
실험 결과는 GLD 이론 예측을 뒷받침한다. 100 및 400㎚ 두께의 에피택셜 x = 0.8 막이 펄스 레이저 증착에 의해 SmScO3(110) 상에 증착되었고, 다양한 기술을 사용하여 특성화되었다.
벌크와 비교할 때, 본 명세서의 막에서의 더 작은 면외 격자 파라미터는 면내 도메인 형성을 선호하고, 평면 수직 및 측면 이중 진폭 공명 추적(DARTTM) 압전감응힘 현미경 관찰(PFM)은, 도메인 벽이 [100] 또는 [010]을 따라 정렬된 면내 배향 도메인의 존재를 확인하며, 이는 aa 1/aa 2/aa 1/aa 2 도메인 구조(SI)와 일치한다.
측정 범위에 걸쳐 선택된 주파수에서의 동일 평면 형상(도 4)의 전압 의존적 커패시턴스 데이터는, 본 명세서의 계산과 일치하고 20 GHz를 넘어 지속되는, 적당한 장(도 5)에서 높은 커패시턴스 튜닝 가능성을 입증한다. 등가 장에서도 이 커패시턴스 튜닝 가능성은, Ruddelson-Popper (R-P) Sr7Ti6O19 [C.-H. Lee, N. D. Orloff, T. Birol, Y. Zhu, V. Goian, E. Rocas, R. Haislmaier, E. Vlahos, J. A. Mundy, L. F. Kourkoutis, et al., Exploiting dimensionality and defect mitigation to create tunable microwave dielectrics, Nature 502, 532-536 (2013)], 및 (Ba,Sr)TiO3 [C. J. G. Meyers, C. R. Freeze, S. Stemmer, and R. A. York, (Ba, Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000, Appl. Phys. Lett. 109, 112902 (2016)] (도 5)를 포함한 분자 빔 에피택시 성장 막에서 현재의 기술 상태보다 훨씬 크다.
놀랍게도, n(f)는 연구된 거의 전체 주파수 범위에서 13 (0.67 MV/cm에서) 보다 더 크게 유지되며, 피크는 15.2 GHz에서 n 
18.5이다(도 21). 증착된 막은 또한 낮은 손실(높은 Q 값)을 나타낸다. 이것은 높은 튜닝 가능성을 수반하는 높은 손실의 일반적인 관찰과는 대조적이다. MDVM 막은 제로 장에서 낮은 Q를 나타내지만, 최대 장에서 큰 Q(<Q(f)> 
1200, 주파수 - 0.1 내지 20 GHz 평균)를 나타낸다. 가장 높게 적용된 장에서 Q는 일반적으로 2 내지 10 GHz에 걸쳐 102 내지 103이다(도 22).
더 면밀한 조사는 더 얇은 막의 특별한 특징을 밝혔다: Q가 주파수로 진동하는, 장과 주파수의 조합은 TC 근처에서 BaTiO3에 대한 주파수 의존적 벌크 고유 한계(103 미만이거나 대략 동일, 도 28)를 쉽게 초과하여, 105에 도달하고 심지어 초과한다(도 6). 이러한 Q 값을 맥락상 설명하자면, 높은 Q 유전체로 고려되는 강유전체[Budimir, M. Damjanovic, D. and Setter, N. Extension of the dielectric tunability range in ferroelectric materials by electric bias field antiparallel to polarization. Appl. Phys. Lett. 88, 082903 (2006); Rojac, T. et al. Piezoelectric nonlinearity and frequency dispersion of the direct piezoresponse of BiFeO3 ceramics. J. Appl. Phys. 112, 064114 (2012); Vorobiev, A. et al., J. Appl. Phys. 110, 054102 (2011)]를 포함하여 본질적으로 튜닝 가능한 막 재료[Meyers, C. J. G. et al., (Ba,Sr)TiO3 tunable capacitors with RF commutation quality factors exceeding 6000] Appl. Phys. Lett. 109, 112902 (2016); Vorobiev, A. et al. Correlations between microstructure and Q-factor of tunable thin film bulk acoustic wave resonators. J. Appl. Phys. 110, 054102 (2011)]에서 현재까지 최선으로 보고된 것보다 훨씬 크고, 주요 비강유전체(즉, 본질적으로 튜닝 가능하지 않음) 압전 재료인 AlN 막[Rinaldi, M. et al. Super-high two-port AlN contour-mode resonators for RF applications. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 57, 38-45 (2010); Rinaldi, M. et al. 5-10 GHz AlN contour-mode nanoelectromechanical resonators. In 2009 IEEE 22nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems 916-919 (IEEE, 2009)]보다 크다. 실험적으로 결정된 Q 값은 실제로 벌크 단결정 석영[Krupka, J,. et al. Extremely high-Q factor dielectric resonators for millimeter-wave applications. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 53, 702-712 (2005); Harnett, J. G. et al., Room temperature measurement of the anisotropic loss tangent of sapphire using the whispering gallery mode technique. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr.Freq. Control 53 34-38 (2006)] 및 ZnO[Magnusson, E. B. et al. Surface acoustic wave devices on bulk ZnO crystals at low temperature. Appl. Phys. Lett. 106, 063509 (2015)]에 대한 측정 값과 비슷하다. 공진 주파수 f r(E)의 장 의존성은, 모두 단일 디바이스에서, L(1 내지 2 GHz), S(2 내지 4 GHz) 및 C(4 내지 8 GHz) 대역에 걸쳐, 그리고 X 대역(8 내지 12 GHz)으로 확장되면서, 10년 동안 예외적인 변동을 보여준다. 정류(commutation) 양호도 CQF(f) = (n(f)-1)2 Q(0,f) Q(E,f)/n(f) [Vendik, I. B. et al., Commutation quality factor of two-state switchable devices. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 48, 802-808 (2000)], 즉 n(E) 및 Q(E)를 통합하는 주요 메트릭은 최선으로 보고된 BST 막[Meyers, C. J. G. et al., Appl. Phys. Lett. 109, 112902 (2016)]보다 더 큰 값을 보여준다.
벌크 유전체 및 막 공진기는, 최선의 튜닝 가능한 재료[Berge, J. and Gevorgian, S. Tunable bulk acoustic wave resonators based on Ba0.25Sr0.75TiO3 thin films and a HfO2/SiO2 Bragg reflector. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 2768-2771 (2011)]에서 4.5% 미만만큼 전압 튜닝될 수 있는 공진 및 반공진(anti-resonant) 특징부로서 나타나는 압전 진동을 통한 마이크로파 전력의 전기기계 결합에 의존한다. 압전 결합 계수의 변화를 고려할 때, 본 명세서의 실험적 기하학에서 Ba0.8Sr0.2TiO3에 대한 면내 압전 진동의 공진 및 반공진 주파수의 계산된 바이어스 장 의존성은 0 내지 0.6 MV/cm에 대해 
3% 이하이고(도 42), 본 명세서 디바이스에서 관찰된 것보다 수백 배 적다.
또한, 기본(또는 더 높은 모드) 주파수에서 작동하는 면내 압전 진동을 활용하는 압전 공진기의 구성은 서로 맞물린 커패시터(IDC: Interdigitated Capacitor) 전극 주기성에 의존한다[Gevorgian, S. S., Tagantsev, A. K. and Vorobiev, A. K. Tunable Film Bulk Acoustic Wave Resonators (Springer, New York, 2013)]. 전극 핑거 폭이 다른 디바이스에서 얻어진 스펙트럼의 비교는 대신 본질적으로 동일한 스펙트럼들을 나타내며(도 6), 이 또한 압전 진동이 관찰된 스펙트럼을 유발할 가능성이 거의 없음을 입증한다.
실험적으로 관찰된 비정상적인 Q 스파이크의 원인은 모델 BaTiO3 (BTO) 시스템(방법)의 분자 역학(MD) 시뮬레이션에서 얻어진 데이터를 사용하여 관찰될 수 있다. 고유 유전체 응답의 분석 이론[Tagantsev, 2003]은 단일 도메인 MD 시뮬레이션(도 28)에서도 발견되는 것처럼 Q(f)의 1/f 의존성을 예측하며, 이는 Q의 비정상적인 f-의존성이 외적 효과 때문임을 나타낸다. 정적 유전 반응의 조사는 피크 유전 상수 값이 FE 위상에서 관찰됨을 보여준다; 유전 반응 피크의 FE 위상으로의 이러한 DW 구동 시프트는 Tc에 가까이에서 FE 위상의 BaTiO3에서 이전에 실험적으로 관찰되었으며[Hoshia, T. et al. Domain size effect on dielectric properties of barium titanate ceramics., Jpn. J. Appl. Phys. 47, 7607-7611 (2008); Wang, Y. L. et al. Giant domain wall contribution to the dielectric susceptibility in BaTiO3. Appl. Phys. Lett. 91, 062905 (2007)], 가역 도메인 벽 진동 또한 본 명세서의 MD 시뮬레이션에서 모델 aa 1/aa 2 DW 슈퍼셀에 대한 FE 위상에서 피크 유전 상수로 이어지는 것으로 밝혀졌다(도 2 및 도 8). 유전체 유전율에 대한 이러한 도메인 벽 기여의 주된 이유는 2D 도메인 벽 상에 국한된 초저 에너지 모드의 존재이다. 유전체 응답에 대한 도메인 벽 진동의 강력한 영향 및 샘플 수퍼도메인 상태에서 고밀도 도메인 벽의 존재는 이러한 진동이 또한 Q(f) 진동의 원인일 수 있음을 시사한다.
가역 도메인 벽 역학과 Q(f) 사이의 관계를 이해하기 위해, 긴(14 ns) 시뮬레이션이 FE-PE 전이 온도보다 50K 낮은 온도에서 120x10x10 슈퍼셀(도 8)에 두 개의 aa 1/aa 2 도메인 벽을 포함하는 모델 시스템을 사용하여 수행될 수 있으며, 다음으로, 슈퍼셀의 전체 분극의 변동으로부터 Q(f)를 얻을 수 있다. 이 크기는, 이 도메인 길이(24㎚)에서, 도 8에서 볼 수 있는 것처럼 샘플에서 도메인 벽과 벌크형 영역 사이에 명확한 구분이 관찰되기 때문에 선택될 수 있다. 또한, GLD 이론은 도메인 크기가 대략 30㎚ 정도이어야 한다고 예측한다.
실험적으로 그리고 MD로 얻어진 Q(f)의 비교는 몇 가지 유사한 특징을 보여준다(도 9). 첫째, 제로 DC 바이어스에서, f가 감소함에 따른 Q 값의 선형 또는 거의 선형 상승은, 약 18 GHz에서 이완이 시작됨으로 인한 부드러운 진동과 함께 Q의 평탄화로 후속된다(검정색 화살표로 표시됨). 이 관찰은, 본질적인 1/f Q 의존성으로부터 예상되는 것보다 훨씬 더 낮은, 낮은 f 영역의 f(실험의 경우 <2 GHz, MD의 경우 <18 GHz)에 대한 Q로부터 볼 수 있듯이, 도메인 벽의 존재가 더 높은 손실과 더 낮은 Q로 이어진다는 예상과 일치한다. 둘째, 더 높은 바이어스에서, 기준선 위의 Q 피크는 특정 주파수(파란색 화살표로 표시됨)에서 나타나며, Q 곡선은 더 높은 DC 바이어스와 함께 더 높은 주파수로 시프트된다. 마지막으로, 더 높은 바이어스에서 더 많은 수의 좁은 Q 피크가 관찰된다. MD 시뮬레이션에 대한 E = 0 MV/cm 및 E = 0.6 MV/cm Q y(f)로부터의 Q y(f) 데이터는, 비록 실험적인 BST와 전산 BTO 시스템 사이의 차이로 인해 더 높은 주파수에 있지만(도 9), 실험적으로 얻어진 E = 0.09 및 E = 0.25 MV/cm Q(f) 데이터와 질적으로 유사하다. 더 높은 DC 바이어스를 수반한 더 높은 Q로의 균일한 시프트는 MD 시뮬레이션에서 관찰되지 않으며, 이 차이는 MD 시뮬레이션에 사용된 단순 모델과 실험 샘플에서 훨씬 더 복잡한 E-장 프로파일 간의 차이에 기인할 수 있다.
개별 층의 Q(f) 분석은, 벌크형 층(즉, 스위칭을 나타내지 않는, 도메인 중간에 있는 층)은 f에 대한 Q의 벌크형 1/f 의존성을 나타내는 반면, DW 층은 Q(f) 스파이크 및 낮은 f에서 Q(f)의 평탄화를 나타내며, 이는 실험적으로 관찰된 데이터 및 전체 시스템에 대해 계산적으로 얻어진 Q(f)와 유사하다(도 10)는 점을 보인다. 벌크형 층 및 DW 층(SI)에 대한 자기상관 함수(ACF)의 비교는, 벌크형 층 ACF가 0 주변의 작은 변동이 뒤따르는 급격한 감쇠의 정상적인 거동을 보여준다는 점을 보이는 반면, DW 층은 웰(well) 내부의 P의 진동에 비해 더블 웰 전위의 두 측부 사이에서 DW 층 P의 변동이 훨씬 더 크기 때문에 느린 ACF 붕괴 및 진동의 큰 진폭 및 주기를 나타낸다. 따라서, DW 변동은 낮은 f에서 유전체 응답을 지배한다.
슈퍼셀의 개별 층에 대한 분극 스위칭(-Py로부터 +Py로 또는 그 반대로) 속도의 분석은 DC 바이어스가 증가함에 따라 호핑 속도가 증가함을 나타내며(도 11), 이는 또한, 전체 분극 시간 자기상관 함수의 진동으로부터 볼 수 있다 (도 12). 따라서, DC 바이어스의 적용은 DW 진동의 속도를 가속화시키고, Q(f) 곡선의 더 높은 f로의 시프트로 이어진다. DW 진동이 없으면, 벌크형 1/f Q 스펙트럼이 얻어지는 반면, 느린 DW 호핑의 경우, Q에서의 부드러운 진동과 함께 이완-구동 평탄화가 관찰되고, 더 빠른 호핑의 경우 날카로운 Q 피크가 얻어진다. 이것은, 제로 바이어스에서 부드러운 진동을 가진 실험적 Q 스펙트럼이 고밀도 DW의 느린 진동으로 인한 것이고, 실험적으로 관찰된 날카로운 Q 피크의 출현은 DC 바이어스의 적용에 의한 DW 호핑의 가속 때문이라는 것을 강력하게 시사한다.
DW 변동 메커니즘만으로도 관찰된 날카로운 Q(f) 피크가 생성될 수 있음을 보여주기 위해, 도메인 벽(SI)과 결합된 쌍안정 오실레이터의 간단한 모델을 사용하여 확률론적 시뮬레이션이 수행되었다. 발명자는, MD에서 얻어진 것과 질적으로 유사한 DW 위치 진동 및 Q(f) 프로파일이 오실레이터(SI)의 더블 웰 파라미터를 조정함으로써 얻어질 수 있다는 점을 알았으며, DW 진동이 Q(f)에서 관찰되는 급격한 변화를 일으킬 수 있음을 입증한다.
도메인 벽 위치 변동이 실험에서 높은 정적 바이어스에서 관찰된 이례적인 Q를 발생시킨다는 가설은 이러한 Q 특성이 이전에 관찰되지 않은 이유를 설명한다. Q 진동을 얻기 위해서, 도메인 크기 <100㎚에 대응하는 큰 도메인 벽 밀도가 필요하며, 그렇지 않으면 도메인 벽에서 발생되는 높은 Q가 도메인 벌크의 정상적인 거동에 의해 평균화되기 때문이다. 둘째, 이 효과는 DW의 두께가 더 크고 스위칭에 대한 장벽이 매우 낮은 TC 근처에서만 나타날 가능성이 높아, GHz 주파수에서 두 개의 대체 Py 배향 사이에서 DW 층의 호핑을 가능하게 한다. 더 낮은 T에서, 층의 Py를 스위칭하기 위한 에너지 장벽이 너무 높아 두 대체 Py 상태 사이의 장벽을 크로스하는 데 필요한 시간이 너무 길고, 높은 Q는 MHz 범위 이하의 f에서만 관찰되며, 이러한 효과는 이러한 낮은 f에서 벌크 유전체 응답의 높은 Q로 인해 분명하지 않을 수 있다. 마지막으로, 결함, 입자 경계 및 성분 변화로 인한 초저 유전 손실 공명 주파수의 변화가 낮은 손실의 평균화 및 높은 Q 피크의 소멸로 이어지기 때문에 이러한 효과를 관찰하기 위해서 매우 높은 품질의 막이 필요하다.
Q와 주파수 f의 곱은 모든 유전체 마이크로파 공진기에 대해 가장 자주 인용되는 메트릭 중 하나이며, 포논-포논 산란에 대한 Akhiezer 한계에서 α ∝ f 2에 의해 매개 변수화된 음향 감쇠는 재료 특징적 상수와 동일한 Qf 로 이어진다. 발명자는, 재료의 Qf 곱이 본 명세서의 실험적 막에서 1 < f r <10 GHz에 대한 일반적인 단조로운 Q(f) 의존성으로부터 벗어나 이 범위에서 Qf의 강한 증가를 보여준다는 점에 주목한다. 이것은, 열적 포논으로 인한 효과적인 산란 속도가 f r보다 훨씬 낮으며, 본 명세서의 도메인 벽 공진 막이 이 범위의 고유 손실을 극복한다는 추가적인 실험 증거를 제공하는 점을 시사한다. 한편, BTO의 시뮬레이션은, 전압-튜닝된 도메인 벽 공진의 예상 주파수 대역이 재료 특이적이고, BST에 대해 실험적으로 관찰된 것보다 더 높을 수 있다는 점을 나타낸다.
따라서, 이러한 실험 및 계산 시뮬레이션 결과는, 설계 제작된 도메인 구조가 실제로 압전 공진 없는 초저 손실과 탁월한 주파수 선택성, 그리고 커패시턴스의 매우 큰 전압 튜닝 가능성을 위해, 히스테리시스 없이 활용될 수 있다는 점을 보여준다. 재료는 단순히 화학적 조성에 의해 정의되는 것이 아니라, 현재 최고의 막 디바이스보다 1 내지 2배 더 높은 유전 손실 및 기가 헤르츠 마이크로파 튜닝 가능성을 달성하여 벌크 단결정이나 본질적으로 튜닝 가능한 재료에 필적하는 값을 얻도록 열역학적으로 예측된 스트레인-유도 강유전체 도메인 벽 변형물들[Pertsev, N. A. et al. Effect of mechanical boundary conditions on phase diagrams of epitaxial ferroelectric thin films. Phys. Rev. Lett. 80 1988-1991 (1998)] 중에서 근접성과 이들 간의 접근성에 의해 정의된다. 이러한 재료들의 거의 등방성 자유 에너지 분극 환경(및 이에 따라 분극 회전에 대한 더 낮은 장벽)은 풍부한 위상 다이어그램 및 적용된 전기장에 대한 큰 응답으로 이어질 것으로 예상된다. 측정된 양호도 Q의 크기는, 일반적인 압전 진동이 아닌 도메인-벽 변동으로 인해 이론적으로 예측된 제로-장 고유 한계를 초과한다. 전체 L, S 및 C 마이크로파 대역에 걸친 공진 주파수 튜닝은 현재 최고의 본질적으로 튜닝된 재료보다 약 100배 더 큰 개별 디바이스에서 달성된다. 외부-구동형 MDVM 튜닝 가능 유전체 재료는 압전 진동 없이 고유 한계를 초과하는 Q를 TC 근처에서 나타내고, 더 넓은 범위의 주파수에서 유사한 Q 값을 달성할 것으로 기대된다. 이러한 결과는, 현재 제한을 극복하기 위해서, 그리고 초고주파 가변 능력 및 저손실 마이크로파 디바이스에 대한 근본적으로 새롭고 유망한 전략을 입증하기 위해서 사용될 수 있는 가능한 나노도메인 구조의 풍부한 위상 공간을 나타낸다.
본 개시내용은 적어도 다음 양태들을 포함한다:
1.
강유전체 위상(phase)인 강유전체 재료를 포함하는 물품(예를 들어, 공진기, 오실레이터, 디바이스 등에 포함될 수 있음)으로서, 상기 물품은 선택된 주파수에서 초저 유전 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 저손실 전파를 가능하게 하도록 구성되는, 물품.
2.
고밀도의 하나 이상의 (열적으로) 진동하는 강유전체 도메인 벽을 갖는 강유전체 재료를 포함하는 물품으로서, 상기 물품은 선택된 특정 주파수에서 초저 유전 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 효율적인 전파를 가능하게 하는 도메인 벽을 포함하며, 상기 도메인 벽의 밀도는 50,000㎚2 당 1 내지 100의 범위인, 물품.
3.
강유전체 위상인 강유전체 재료를 포함하는 물품으로서, 상기 물품은 선택된 주파수에서 그리고 상기 강유전체 재료의 Tc의 20%에서 또는 이내에서 초저 유전 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 저손실 전파를 가능하게 하도록 구성되는, 물품.
4.
강유전체 위상의 박막 형태의 강유전체 재료를 포함하는 물품으로서, 상기 재료의 조성 및 스트레인은, 주어진 온도에 대해, 도메인 벽 변형물 경계 또는 꼭지점에 의해 특정되는 바와 같이 두 개 이상의 에너지적으로 동등하거나 거의 에너지적으로 동등한 열역학적으로 예측된 도메인 벽 변형물 유형으로 재료를 안정화시키도록 선택되어, 선택된 주파수에서 초저 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 효율적 전파를 가능하게 하는, 물품.
5.
강유전체 재료를 포함하는 유전체의 장-튜닝 가능(field-tunable) 물품으로서, 물품 주파수 및/또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 상기 강유전체 재료에 인가된 전기장에 대응하는 도메인 벽 진동 주파수의 변화에 기반하여 제어되는, 물품.
6.
제1항 내지 제5항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 선택된 주파수는 0.01 GHz 내지 300 GHz인, 물품.
7.
제1항 내지 제5항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 물품의 물품 주파수 또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 상기 도메인 벽의 밀도에 기반하여 제어되는, 물품.
8.
제1항 내지 제5항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 양호도 Q의 크기는 상기 도메인 벽의 밀도에 의해 제어되고 도메인 벽 밀도에 따라 증가하는, 물품.
9.
제1항 내지 제5항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 물품 주파수 또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 강유전체 도메인 벽 변형물의 유형 및/또는 유형들에 기반하여 제어되는, 물품.
10.
제1항 내지 제5항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 물품 주파수 또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 스트레인의 정도에 기반하여 제어되는, 물품.
11.
제1항 내지 제10항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 강유전체 재료는 정상 강유전체, 특이 강유전체, 하이브리드 특이 강유전체, 릴랙서(relaxor) 강유전체, 초기 강유전체 상, 또는 다강성(multi-ferroic) 강자성 또는 반강자성 강유전체 중 하나를 포함하는 위상에 있는, 물품.
12.
제1항 내지 제11항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제품 주파수 및/또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 강유전체 분극에 대한 자기장의 다강체 결합으로 인해 상기 다강체 강자성(또는 반강자성) 강유전체 재료에 걸쳐 적용되는 자기장에 대응하는 도메인 벽 진동의 변화에 기반하여 제어되는, 물품.
13.
제1항 내지 제12항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 강유전체 재료의 화학적 조성은 BaTiO3, (Ba,Sr)TiO3, PbTiO3, PZT, (Pb,Sr)TiO3, BiFeO3, 및 연관된 고용체를 포함하는, 물품.
14.
선택된 DC 바이어스 또는 제로 DC 바이어스 하에서, 선택된 주파수에서 그리고 강유전체 재료의 TC의 100℃ 내에서 진동하는, 50,000㎚2 당 1 내지 100의 설계 제작된 평면 2차원 토폴로지 결함을 갖는 강유전체 재료를 포함하는 물품.
15.
제14항의 양태에 있어서, 상기 선택된 주파수는 0.1 GHz 내지 300 GHz인, 물품.
16.
제14항 내지 제15항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 강유전체 도메인 벽의 진동 축선은 하나 이상의 방향을 따라 배향되고, 집단적 진동이 DC 바이어스 장의 존재 또는 부재 하에 이동되는 EM 파를 지지할 수 있다는 점을 나타내는, 물품.
17.
제14항 내지 제16항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 평면 2차원 토폴로지 결함은 도메인 벽을 포함하며, DC 또는 AC 장의 적용 하의 또는 제로 DC 또는 AC 장의 적용 하의 상기 도메인 벽은 시간에 대해 자기 위치에서 진동되거나 변동되는, 물품.
18.
제17항의 양태에 있어서, 상기 변동의 시간 척도 또는 속도는 정전기 전위 지형과 도메인 폭 또는 도메인 벽 밀도, 적용된 장, 온도, 스트레인(일관적 또는 완화됨) 및/또는 응력에 따라 달라지는, 물품.
19.
제18항의 양태에 있어서, 상기 변동과 관련된 대응되는 주파수 스펙트럼은 상기 도메인 벽의 축선에 평행(또는 수직)하고 이의 변동에 수직인 축선을 따라 재료 유전 손실에서 하나 이상의 최소값(또는 상호 손실(reciprocal loss)의 피크, Q)을 나타내는, 물품.
20.
제19항의 양태에 있어서, 상기 도메인 벽을 분리하는 상기 도메인의 폭이 변동되는, 물품.
21.
제14항 내지 제20항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 강유전체 재료는 이의 강유전체 또는 상유전체 위상(정상 강유전체, 특이 강유전체, 하이브리드 특이 강유전체, 릴랙서 강유전체, 초기 강유전체, 다강성 강자성 또는 반강자성 강유전체)에 있는, 물품.
22.
제14항 내지 제22항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 강유전체 재료는 BaTiO3, (Ba,Sr)TiO3, PbTiO3, PZT, (Pb,Sr)TiO3, BiFeO3, Bi(Fe,Mn)O3를 포함하는, 물품.
23.
캐비티를 형성하는 재료의 고유 한계보다 적은 손실로 횡방향 전자기(TEM: transverse electromagnetic) 파의 전파를 지지하는 마이크로파 또는 mm-파 캐비티를 갖는 디바이스로서, 상기 TEM 파는 하나 이상의 도메인 벽의 진동에 의해서 그리고 상기 마이크로파 캐비티를 형성하는 재료의 Tc에서 또는 이 근처에서 전달되고/되거나 변조되며, 상기 도메인 벽의 밀도는 50,000㎚2 당 1 내지 100인, 디바이스.
24.
제23항의 양태에 있어서, 상기 마이크로파 캐비티는, 제로 바이어스 또는 선택된 유한 DC 바이어스 하에서, 선택된 주파수에서 진동되는 하나 이상의 도메인 벽을 포함하는 강유전체 재료를 포함하는, 디바이스.
25.
제24항의 양태에 있어서, 상기 하나 이상의 도메인 벽의 진동 축선은 하나 이상의 방향을 따라 배향되고, 제로-장 또는 유한 DC 장 구동형 집단 진동이 이동되는 EM 파를 지지할 수 있다는 점을 나타내는, 디바이스.
26.
제23항 내지 제25항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 강유전체 재료는 이의 강유전체 또는 상유전체 위상(정상 강유전체, 특이 강유전체, 하이브리드 특이 강유전체, 릴랙서 강유전체, 초기 강유전체, 다강성 강자성 또는 반강자성 강유전체)에 있는, 디바이스.
27.
제23항 내지 제26항의 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 강유전체 재료는 BaTiO3, (Ba,Sr)TiO3, PbTiO3, PZT, (Pb,Sr)TiO3, BiFeO3, Bi(Fe,Mn)O3를 포함하는, 디바이스.
28.
제23항 내지 제27항의 양태 중 어느 하나에 있어서, Q는 Tc에 대한 근접성에 의존하여, 온도가 증가함에 따라 증가할 수 있는, 디바이스.
29.
제23항 내지 제28항의 양태 중 어느 하나에 있어서, Q의 크기는, 상기 물품을 통한 RF, 마이크로파 또는 mm-파 에너지의 전송 및/또는 반사를 프로브하는 구동 신호의 진폭과 관련하여 주변 확률론적 잡음의 진폭(온도에 의해 제공됨)에 의존될 수 있는, 디바이스.
30.
제1항 내지 제22항의 양태 중 어느 하나의 물품을 제조하는 방법.
31.
제23항 내지 제29항의 양태 중 어느 하나의 디바이스를 제조하는 방법.
예시적 적용:
트랜스듀서. 도메인 벽 진동(DWO: domain wall oscillating) 재료는 기계 및/또는 전자기파에 대한 결합을 통해, 감지 및/또는 작동을 위한 하나 이상의 공진 주파수에서 전기기계(electromechanical) 에너지의 고효율 변환을 위한 기초가 될 수 있다. 표면 경계 조건을 변경하는, 표면에 대한 피분석물의 결합과 관련된 공진 주파수의 변화와 열역학적 지형 및 DW 진동 조건에 대한 이의 영향은, 고유-주파수(eigen-frequency)가 형상의 영향을 받는 기존의 벌크 및/또는 표면 음향파 또는 다른 유사한 디바이스와 구별된다.
통신. DWO 기반 디바이스에서 가능하게 된, 다른 온도뿐만 아니라 실온에서의 초고(ultra-high) Q의 가용성은 현재의 고체 오실레이터 재료보다 훨씬 더 높은 정확도로 정보를 인코딩하고, 검출하고, 감지하는 것을 허용한다. 이것은 고주파 선택적 전압 튜닝 필터(highly frequency-selective voltage-tuned filter), 안테나 또는 오실레이터로서의 활용을 포함한다.
위치, 네비게이션 및 타이밍. DWO 기반 디바이스에서 가능하게 된, 다른 온도뿐만 아니라 실온에서의 초고 Q의 가용성은 위치, 네비게이션 및 타이밍을 정의하는 변수와 Q 사이의 보다 정확한 관계(더 높은 정확성)를 허용하며, 이때 주파수 선택성은 이러한 값의 값을 설정하는 수단이고, 위치, 내비게이션 및 타이밍과 관련된 신호를 전송하거나 수신하기 위해서 더 낮은 전력이 필요하다.
DW 배향, 진동 벡터 및 파동 전파를 재구성하기 위한 도메인 구조의 로컬 또는 비로컬 DC 또는 AC 장, 스트레인 및/또는 온도의 적용에 의한 프로그래밍 가능성.
메타 재료 및 물품이 바람직한 실시형태 및/또는 바람직한 방법을 참조하여 본 명세서에 설명되었지만, 본 명세서에서 사용된 단어가 제한의 단어라기보다는 설명 및 예시의 단어인 점, 및 본 개시내용의 범위가 이러한 세부 사항에 한정되도록 의도되지 않고, 오히려 모든 구조, 방법, 및/또는 본 명세서에 설명된 메타-재료의 사용에 확장되는 점이 이해될 것이다. 본 명세서의 교시의 이점을 갖는 관련 기술의 숙련자는 본 명세서에 기술된 바와 같이 메타-재료에 대한 수많은 수정을 수행할 수 있고, 예를 들어, 첨부된 청구 범위에 언급된 바와 같은, 본 개시내용의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 변경이 이루어질 수 있다. 일 실시예로서, 분극-장 히스테리시스를 갖는 강유전체의 종래의 개념은, 본 개시내용의 높은 도메인 밀도로 인해 거시적 규모로 억제되기 때문에 지지되지 않는다.
강유전체 재료의 오실레이터 또는 결합된 오실레이터의 시스템/컬렉션이 더블 웰의 두 측부 사이의 시스템의 잡음으로 유발된 변동으로 인해 공진 주파를 스위칭하는 기본 도메인 벽의 홀수 다중 주파수에서 공진을 나타내도록 본 개시내용에 따라 구성될 수 있다.
공진기는, 기계적 및/또는 전자기적 에너지의 효율적인 흐름을 촉진하기 위해 하나 이상의 도메인 벽 공명 주파수에 따라, 매체를 포함하거나 장치와 접하는 체적 또는 캐비티의 치수(들) 및 기계적 및 전기적 경계 조건들 중 하나 이상이 선택되는 물품을 포함할 수 있고, 이에 따라 도메인 벽-재정규화(또는 지배적) 재료의 변경된 모듈러스 및/또는 민감성에 따라 파동 에너지에서 건설적인 간섭을 허용한다.
Claims (20)
- 강유전체 위상(ferroelectric phase)인 강유전체 재료를 포함하는 물품으로서,
상기 물품은 하나 이상의 선택된 주파수에서 초저(ultra-low) 유전 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 저손실 전파를 가능하게 하도록 구성되는, 물품. - 고밀도의 하나 이상의 변동하는 강유전체 도메인 벽을 포함하는 강유전체 재료를 포함하는 물품으로서,
상기 물품은 하나 이상의 선택된 주파수에서 초저 유전 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 효율적인 전파를 가능하게 하는 도메인 벽을 포함하며, 상기 도메인 벽의 밀도는 50,000㎚2 당 1 내지 100의 범위인, 물품. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 물품은 상기 강유전체 재료의 Tc의 20%에서 또는 이내에서 초저 유전 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 저손실 전파를 가능하게 하도록 구성되는, 물품.
- 강유전체 위상의 박막 형태의 강유전체 재료를 포함하는 물품으로서,
상기 재료의 조성 및 스트레인은, 주어진 온도에 대해, 도메인 벽 변형물 경계 또는 교차하는 경계들의 꼭지점에 의해 특정되는 바와 같이 두 개 이상 또는 약 두 개 이상의 에너지적으로 동등한 열역학적으로 예측된 도메인 벽 변형물 유형으로 재료를 안정화시키도록 선택되어, 선택된 주파수에서 초저 손실(103 < Q < 107, 또는 10-3 > tanδ > 10-7)로 신호의 효율적 전파를 가능하게 하는, 물품. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 변동 주파수 및/또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 상기 강유전체 재료에 적용된 전기장에 대응하는 도메인 벽 진동 주파수의 변화에 기반하여 제어되는, 물품.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 선택된 주파수는 0.01 GHz 내지 300 GHz인, 물품.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품의 변동 주파수 또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 상기 도메인 벽의 밀도에 기반하여 제어되는, 물품.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양호도(quality factor) Q의 크기는 상기 도메인 벽의 밀도에 의해 제어되고 도메인 벽 밀도에 따라 증가하는, 물품.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변동 주파수 또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 상기 강유전체 도메인 벽 변형물의 유형 및/또는 유형들에 기반하여 제어되는, 물품.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변동 주파수 또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 스트레인의 정도에 기반하여 제어되는, 물품.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 강유전체 재료는 정상 강유전체, 특이 강유전체, 하이브리드 특이 강유전체, 또는 다강체 강자성 또는 반강자성 강유전체 중 하나를 포함하는 위상에 있는, 물품.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변동 주파수 및/또는 주파수들의 범위 및/또는 값은 강유전체 분극에 대한 자기장의 다강체 결합으로 인해 상기 다강체 강자성(또는 반강자성) 강유전체 재료에 걸쳐 적용되는 자기장에 대응하는 도메인 벽 진동의 변화에 기반하여 제어되는, 물품.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강유전체 재료는, 선택된 전기 DC 바이어스 또는 제로 전기 DC 바이어스 하에서, 상기 하나 이상의 선택된 주파수에서 그리고 상기 강유전체 재료의 TC의 100℃ 내에서 진동하는, 40,000㎚2 당 1 내지 100의 설계 제작된 평면 2차원 토폴로지(topological) 결함을 갖는, 물품.
- 제13항에 있어서, 상기 선택된 주파수는 0.1 GHz 내지 300 GHz인, 물품.
- 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 평면 2차원 토폴로지 결함은 도메인 벽을 포함하며, DC 또는 AC 전기장의 적용 하의 또는 제로 DC 또는 AC 전기장의 적용 하의 상기 도메인 벽은 시간에 대해 자기 위치에서 진동되거나 변동되는, 물품.
- 제15항에 있어서, 상기 변동의 시간 척도 또는 속도는 정전기 전위 지형과 도메인 폭 또는 도메인 벽 밀도, 적용된 장, 온도, 스트레인(일관적 또는 완화됨) 및/또는 응력에 따라 달라지는, 물품.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 강유전체 재료는 페로브스카이트(perovskites), Ba x Sr1- x TiO3 (BST x ), PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Pb,Sr)TiO3, BiFeO3, Bi(Fe,Mn)O3, 또는 Ruddelson-Popper 상 A n +1 B n X 3 n +1, 또는 Ruddelson-Popper 위상 A n +1 A'2 B n X 3 n +1을 포함하되, A 및 A'은 알칼리 및/또는 알칼리 토금속을 나타내고, B는 희토류 금속을 나타내며, 및 X = O 또는 다른 강유전체 또는 이들의 조합인, 물품.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 물품을 제조 방법.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 물품을 포함하는 공진기.
- 강유전체 재료의 오실레이터 또는 결합된 오실레이터의 시스템/컬렉션으로서, 더블 웰의 두 측부 사이의 상기 시스템의 잡음으로 유발된 변동으로 인해 공진 주파를 스위칭하는 기본 도메인 벽의 홀수(odd integer) 다중 주파수에서 공진을 나타내는, 강유전체 재료의 오실레이터 또는 결합된 오실레이터들의 시스템/컬렉션.
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