Entwicklung flexibler, tintenstrahlgedruckter Varaktoren

Diese wissenschaftliche Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Keramik/Polymer-
Komposittinten auf der Grundlage von Barium-Strontium-Titanat (BST) und Poly(vinylidenfluorid-
co-trifluoroethylen) (P(VDF-TrFE)), welche aufgrund ihrer ferroelektrischen Eigenschaften
für die Anwendung als steuerbaren Dielektrika von großem Interesse sind.
Ziel hierbei ist die Herstellung dünner und homogener dielektrischer Schichten für die
Anwendung als flexible tintenstrahlgedruckte Varaktoren. Für die Untersuchung der einzelnen
ferroelektrischen Komponenten wurden drei Komposittinten BST/P(VDF-TrFE),
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BST/PMMA und Al2O3/P(VDF-TrFE) angefertigt, welche u.a. nicht-ferroelektrische Bestandteile
beinhalten. Unter Beachtung der rheologischen Eigenschaften, sowie durch
Optimierung der Trocknungsbedingungen, konnte mit Dimethylsulfoxid und Butan-2-on
als Lösungsmittel der bei partikulären Tintensystemen häufig auftretende coffee stain
effect unterdrückt werden, um homogene Schichten im niedrigen μm-Bereich zu erzielen.
Durch die Verwendung von Silbernanopartikeltinte für den Druck der Elektroden wurden
vollständig tintenstrahlgedruckte Varaktoren realisiert. Die Charakterisierung der dielektrischen
Eigenschaften zeigte, dass das ferroelektrische BST sich positiv auf die Steuerbarkeit
𝜏 von BST/P(VDF-TrFE) (9,7 %) und BST/PMMA (6,8 %)@23 V μm−1 auswirkt, wohingegen
Al2O3/P(VDF-TrFE) keine Steuerbarkeit aufwies. Dies suggeriert eine Korrelation der ferroelektrischen
Keramik- sowie Polymerkomponenten zu den verbesserten dielektrischen
Eigenschaften – vor allem hinsichtlich der Steuerbarkeit. Dadurch konnte für das vollständig
ferroelektrische BST/P(VDF-TrFE)-System eine maximale Steuerbarkeit von 12,8 %
@30 V μm−1 mit einer Güte von 28 erreicht werden. Für eine eingehende Untersuchung
von BST/P(VDF-TrFE) wurden BST-Nanopartikel mit variierender Partikel- (25 nm bis
175 nm) und Kristallitgröße (16 nm und 53 nm) über die Mahlung mit verschieden großen
ZrO2 Mahlkugeln (200 μm, 400 μm und 800 μm) bzw. mittels thermischer Behandlung der
BST-Pulver (700 ℃, 900 ℃ und 1100 ℃) realisiert, wobei die Herausforderung hier in der
erfolgreichen Redispergierung der agglomerierten Partikel lag. Durch die Variation dieser
zwei Parameter konnten relative Permittivitäten von 𝜖𝑟 = 34 - 58 ermöglicht werden, wobei
die thermische Behandlung eine größere Auswirkung auf 𝜖𝑟 und 𝜏 hat. Anhand eines
Varaktors mit einer Schichtdicke von 0,89 μm konnte eine hohe maximale Steuerbarkeit
von 29,6 % @34 V μm−1 gezeigt werden, welches die Bedeutsamkeit von nicht nur der
Morphologie, sondern auch der dielektrischen Schichtdicke hervorhebt. Im letzten Teil der
Arbeit konnte durch die Zugabe leitfähiger Kupferpartikel in das BST/P(VDF-TrFE), mit
BST/P(VDF-TrFE)/Cu ein dreiphasiges Komposittintensystem entwickelt werden. Durch
Strukturierungseffekte konnte mit steigendem Kupfergehalt die Steuerbarkeit weiter verbessert
werden, sodass für BST/P(VDF-TrFE)/Cu (10 Vol.%) eine dreifache Erhöhung von
13,6 % @43 V μm−1 auf 40,3 % @41 V μm−1 bewirkt werden konnte.

This scientific work addresses the development of ceramic/polymer composite inks based
on barium strontium titanate (BST) and poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene)
(P(VDF-TrFE)), which are of great interest due to their ferroelectric properties. Here,
the goal is to fabricate thin and homogeneous layers for the application in tunable dielectrics
in flexible inkjet-printed varactors. Three composite inks BST/P(VDF-TrFE),
BST/PMMA (poly(methyl methacrylate)) and Al2O3/P(VDF-TrFE) were prepared and investigated
on their respective ferroelectric component, by replacing ferroelectric BST with
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non-ferroelectric Al2O3, and ferroelectric P(VDF-TrFE) with non-ferroelectric PMMA. By
adjusting the rheological properties and optimizing the drying conditions using dimethyl
sulfoxide and butan-2-one as solvents, the coffee stain effect, which is often observed during
the drying process of particulate ink systems, was suppressed. Thus, homogeneous layers
in the μm range could be achieved. By using silver nanoparticle ink to print the electrodes,
fully inkjet-printed varactors could be realized. Characterization of the dielectric
properties showed that the ferroelectric BST had a positive effect on the tunability 𝜏 of
BST/P(VDF-TrFE) (9.7 %) and BST/PMMA (6.8 %) @23 V μm−1, whereas Al2O3/P(VDF-TrFE)
displayed no tunability. This suggests a correlation of the ferroelectric ceramic
and polymer component to the improved dielectric properties - especially in terms of
tunability. Therefore, a maximum tunability of 12.8 % @30 V μm−1 with a Q factor of 28
could be achieved for the fully ferroelectric BST/P(VDF-TrFE) system. With a focus on
the ferroelectric ceramic, BST nanoparticles with varying particle (25 nm to 175 nm) and
crystallite (16 nm and 53 nm) sizes were obtained by grinding with different ZrO2 grinding
media sizes (200 μm, 400 μm and 800 μm) and by thermally treating the BST powders
at 700 ℃, 900 ℃ and 1100 ℃. Here, the challenge laid in the successful redispersion of
the agglomerated particles. By varying these two parameters, relative permittivities of
𝜖𝑟 = 34 - 58 were achieved. It was found that the thermal treatment showed a greater
effect on 𝜖𝑟 and 𝜏 in comparison to the variation in particle size through milling. Using a
varactor with a layer thickness of 0.9 μm, a high tunability of 29.6 % @34 V μm−1 could
be demonstrated, which emphasizes the importance of not only the morphology but also
the dielectric layer thickness. In the last part of this work, by adding conductive copper
particles to BST/P(VDF-TrFE), a three-phase BST/P(VDF-TrFE)/Cu composite ink system
was developed. Through structural effects, the tunability could be further improved
with increasing copper content, resulting in a enhancement by a factor of 3 from 13.6 %
@43 V μm−1 to 40.3 % @41 V μm−1 for BST/P(VDF-TrFE)/Cu (10 vol.%).