Mikrowellenabsorption in Dielektrika und Hochtemperatursupraleitern für Resonatoren hoher Güte

Zuccaro, C.

Dissertation / PhD Thesis/Book

Mikrowellenabsorption in Dielektrika und Hochtemperatursupraleitern für Resonatoren hoher Güte

Zuccaro, C.FZJ*

1999
Forschungszentrum, Zentralbibliothek Jülich

Jülich : Forschungszentrum, Zentralbibliothek, Berichte des Forschungszentrums Jülich 3631, (1999) = Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 1999

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/4430

Report No.: Juel-3631

Abstract: Kompakte dielektrische Resonatoren hoher Güte benötigen dielektrische Materialien mit niedrigem Verlusttangens und hoher Permittivität. Zur Bestimmung der Mikrowelleneigenschaften verlustarmer Dielektrika im Frequenzbereich 4 - 12 GHz sind empfindliche Meßtechniken auf der Grundlage abgeschirmter dielektrischer Resonatoren entwickelt worden. Für Messungen im Submillimeterwellenbereich (200 - 400 GHz) ist ein quasioptisches Transmissionsspektrometer eingesetzt worden. Verschiedene Materialien mit trWerten von 10 bis 110 sind in einem großen Temperaturbereich (4 - 300 K) charakterisiert worden: einkristallines LaAI03, YAI03 und Ti02, der Mischkristall LSAT ((LaAl03)0.3- (Sr2AITa06)0.7) sowie polykristallines, gesintertes Ah03 und BMT (B aMgl/3Ta2/3 0 3), Die experimentellen Daten werden mit Modellen der intrinsischen und extrinsischen Dissipation in Dielektrika verglichen, die auf Zwei-Phononen-Differenzprozessen zwischen energieunscharfen Phononenzweigen, auf defektinduzierter Ein-Phononen-Absorption oder auf der Relaxation von Defektdipolen basieren. Oberhalb 200 GHz zeigen alle Materialien die für Zwei-Phononen-Differenzprozesse typische lineare Frequenz- und monotone Temperaturabhängigkeit des Verlusttangens. Mit Hilfe der Submillimeterwellendaten wird die untere Grenze der Mikrowellenverluste in BMT abgeschätzt. Die intrinsische Absorption in LaAl03 und Ti02 wird unter Zugrundelegung der Phononendispersionsrelation berechnet. Bei 4 - 12 GHz wird die Dissipation in LaAl03, LSAT und BMT durch Defektdipole beeinflußt. Dies führt zu Maxima in der Temperaturabhängigkeit des Verlusttangens bei etwa 70 - 150 K. Zwischengitterionen und starke lokale Unordnung werden als Ursache der extrinsischen Absorption in diesen Materialien diskutiert. Dielektrische Resonatoren lassen sich bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit wie ihrer Abmessungen optimieren, indem sie durch hochtemperatursupraleitende Schichten (HTSL-Filme) abgeschirmt werden. Zur Untersuchung der Temperatur-, Orts- und Feldabhängigkeit der Oberflächenimpedanz unstrukturierter, großflächiger (1" - 2") HTSL-Filme bei etwa 10 GHz sind Meßsysteme auf der Basis von Saphir- und Rutil-Resonatoren aufgebaut worden. Durch Verwendung von Hochfrequenzpulsen werden an der Oberfläche der Filme Feldstärken von bis zu 80 Oe bei 80 K und von über 200 Oe bei 10 K erreicht. Ergebnisse für mit verschiedenen Verfahren (Magnetronsputtering, Hohlkathodensputtering, Sauerstoffhochdrucksputtering, thermisches Aufdampfen) und auf unterschiedlichen Substraten (LaAI03 und Saphir mit Ce02 als Pufferschicht) hergestellte YBa2Cu307-Schichten werden präsentiert. Die für den Oberflächenwiderstand und die Eindringtiefe bei niedrigen Feldstärken erhaltenen Meßdaten werden unter Voraussetzung eines anisotropen Ordnungsparameters mit dx2_y2- Wellen-Symmetrie und unter Berücksichtigung elastischer wie inelastischer Quasiteilchenstreuung modelliert. Als Ursache des festgestellten, stark probenabhängigen nichtlinearen Verhaltens der Verluste werden thermische Effekte und Josephson-Kontakte an DefektsteIlen, z. B. Korngrenzen, diskutiert. Dynamische thermische Simulationen, die der realen thermischen Umgebung einer Probe und der Anwesenheit makroskopischer Defektstrukturen Rechnung tragen, werden vorgestellt und den experimentellen Daten gegenübergestellt. Die durch ein Netzwerk von Josephson-Kontakten verursachten Nichtlinearitäten werden für beliebig hohe Feldstärken berechnet. Ein Vergleich mit den Meßergebnissen deutet daraufhin, daß verschiedene Defektarten, wie z. B. Korngrenzen, Stapelfehler oder Antiphasengrenzen, mit kritischen Stromdichten von 5.106 Am-2 bis 7.1010 Am-2 zum nichtlinearen Oberflächenwiderstand beitragen können. Nichtmonotone Feldabhängigkeiten weisen auf dynamische Flußquantisierung hin

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