DE3802150A1 - Verfahren zum herstellen eines bezueglich seiner dielektrischen, pyroelektrischen und/oder magnetischen eigenschaften vorgebbaren materials und dessen verwendung - Google Patents

Description

Verfahren zum Herstellen eines bezüglich seiner dielektri­ schen, pyroelektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften vorgebbaren Materials und dessen Verwendung-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für Materialien gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 sowie deren Verwendung.

Diese Verwendung ist im elektromagnetischen Bereich und auch anderweitig, beispielsweise bei der Temperaturmessung, vielfach mit Vorteil gegenüber dem Stand der Technik gege­ ben. Die Erfindung basiert auf Erkenntnissen über die elek­ trische Leitfähigkeit gegeneinander isolierter, elektrisch leitfähiger Partikel, beispielsweise von Indiumkristallen, mit Durchmessern 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 δ 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 Leitfä­ higkeit des Partikel-Materials (bulk) dargestellt. Die Messungen erfolgten bei etwa 10 GHz; im Grundsatz ist dieser Effekt aber von nahezu Gleichstrom bis zu höchsten Frequen­ zen im IR-Bereich mit gleicher Tendenz vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Erscheinun­ gen gezielt technisch nutzbar zu machen bei der Herstellung von Materialien mit bestimmten, in weitem Bereich gewünsch­ ten dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften.

Die Ansprüche 1 und 2 geben aus Formulierungsgründen ge­ trennt voneinander die Maßnahmen zur Vorwahl vorgegebener dielektrischer, pyroelektrischer bzw. magnetischer Eigen­ schaften bei der Materialherstellung an, während die Unter­ ansprüche sich mit beispielhaften Verwendungen dieser Mate­ rialien befassen, obwohl es noch weitere Verwendbarkeiten derselben gibt. Unter mesoskopisch wird hierbei ein Abmes­ sungsbereich zwischen makroskopisch und mikroskopisch ver­ standen, d. h. ungefähr zwischen 1 nm und 1000 nm.

Beim Nachweis der Materialeigenschaften erfindungsgemäß hergestellter 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 Metallkomponete. 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 (e _T ).

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß mesoskopische Teilchen der vorbesprochenen Art je nach Größe eine Leitfähigkeit entsprechend δ∼x ³ oder δ = 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 erfindungsgemäß hergestellte 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 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten 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 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten 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 (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines bezüglich seiner dielek­ trischen oder pyroelektrischen Eigenschaften vorgebbaren Materials, dadurch gekennzeichnet, daß in ein elektrisch nichtleitendes Trägermaterial, beispielsweise in einen Feststoff, wie Keramik, Kunststoffe oder in eine Flüssig­ keit, wie Öl, sogenannte mesoskopische Partikel vorgegebener Abmessungen aus im makroskopischen Kompaktzustand elektrisch leitfähigen Materialien (z. B. Metalle, Halbleiter) nach Maßgabe eines vorgebbaren Füllfaktors eingebracht werden.

2. Verfahren zum Herstellen eines bezüglich seiner magneti­ schen Eigenschaften vorgebbaren Materials, dadurch gekenn­ zeichnet, daß entweder in ein diamagnetisches Trägermate­ rial, beispielsweise in ein Edelmetall oder in eine supra­ leitende Substanz, sogenannte mesoskopische Partikel vorge­ gebener Abmessungen aus im makroskopischen Kompaktzustand elektrisch leitfähigen Materialien (z. B. Metalle, Halblei­ ter) oder daß in ein ferro- und/oder paramagnetisches Trä­ germaterial (z. B. Metalle, Halbleiter) sogenannte mesosko­ pische Partikel vorgebbarer Abmessungen aus im makroskopi­ schen Kompaktzustand diamagnetischen Materialien, wie z. B. Edelmetalle, nach Maßgabe eines vorgebbaren Füllfaktors eingebracht werden.

3. Verwendung des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials in einem Absorber für elektroma­ gnetische Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel­ abmessungen nach einem vorgegebenen Gradienten und/oder der Füllfaktor nach Maßgabe eines gewünschten Absorptions- bzw. Reflexionsfaktors gewählt sind.

4. Verwendung des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials in einem Absorber für elektroma­ gnetische Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel­ abmessungen nach einem vorgegebenen Gradienten und/oder Füllfaktor nach Maßgabe eines gewünschten Frequenzbereichs gewählt sind.

5. Verwendung nach Anspruch 3 oder 4 des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials für eine Antennenabdeckung, z. B. für ein Radom einer Radarantenne.

6. Verwendung nach Anspruch 3 oder 4 des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials zur Radar­ tarnung.

7. Verwendung nach Anspruch 3 oder 4 des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials zum Vortäu­ schen von elektromagnetischen Absorptions- bzw. Reflexions­ strukturen vorgegebenen Musters bei der Radartarnung bzw. Radar-Scheinzielherstellung.

8. Verwendung des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials für elektronische Leitungsbauele­ mente, wie z. B. Kondensatoren, Widerstände, Transformato­ ren.

9. Verwendung nach Anspruch 8 in Verbindung mit klassischen Wellenleitern, wie z. B. Streifenleiter, Hohlleiter, Koaxi­ alleiter, Schlitzleiter, Mikrowellenschaltkreise (micro wave integrated circuits MIC).

10. Verwendung des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials für elektronische Bauelemente und/oder Funktionen in integrierten Schaltkreisen zur Reali­ sierung von z. B. Kondensatoren und Widerständen auf klein­ stem Raum, wie z. B. bei VLSI-Schaltkreisen und monolithi­ schen Mikrowellen-/Millimeterwellenschaltkreisen.

11. Verwendung des nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellten Materials im optischen und quasioptischen Bereich zur Wellenführung und Filterung.