University of Oulu

CuMoO4 : a microwave dielectric and thermochromic ceramic with ultra-low fabrication temperature

Saved in:
Author: Joseph, Nina1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526223766
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2019
Publish Date: 2019-10-15
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP-Pohjola auditorium (L6), Linnanmaa, on 25 October 2019, at 12 noon
Tutor: Professor Heli Jantunen
Docent Merja Teirikangas
Reviewer: Professor Danilo Suvorov
Professor Leena Ukkonen
Opponent: Professor Mari-Ann Einarsrud
Description:

Abstract

This thesis deals with a novel ceramic CuMoO₄ (CMO), and reports on its low sintering temperature, good microwave dielectric properties and thermochromic behaviour in a mode suitable for practical applications. It involves a detailed investigation of CuMoO₄ (CMO) ceramic, its Ag₂O added composite (CMOA) and a thermochromic CMO polymorph mixture for advanced materials proposals to energy concerns. The initial part of the thesis is devoted to the development of the CMO ceramic and CMOA composite by a solid state ceramic route and by an additive manufacturing process respectively, followed by an investigation of the structural, microstructural, and microwave dielectric properties. The prepared CMO ceramic was found to have an ultra-low sintering temperature of 650 °C, a relative permittivity (εr) of 7.9 and a quality factor × frequency (Qf) of 53000 GHz at 12.7 GHz. It exhibited a temperature coefficient of resonant frequency (τf) of -36 ppm/°C. The CMOA composite attained an even lower sintering temperature of 500 °C and showed a εr of 8, a Qf of 36000 GHz (11.8 GHz) and a τf of -32 ppm/°C.

The developed CMO ceramic and CMOA composite were made into ultra-low temperature cofired ceramic substrates by tape casting using environmentally benign organic compositions and cofiring with Al at 650 and 500 °C respectively. The sintered CMO and CMOA substrates had an average CTE value of 4.1 and 4.6 ppm/°C respectively measured in the temperature range of 25–300 °C. At 9.9 GHz, these substrates showed εr and tan δ of 7.5, 7.7 and 0.0002 and 0.0004 respectively. Additionally, a new CMO polymorph mixture was prepared from the developed CMO by cryogenic quenching using liquid nitrogen. It exhibited irreversible thermochromism from a deep brown to a bright green colour in the temperature range of 25–200 °C.

The findings of the present research reveal the different functional aspects of CuMoO₄ ceramic that can be utilised for ULTCC microwave and smart applications. Hence, the thesis presents an advanced ceramic material for future technology.

see all

Tiivistelmä

Tässä väitöstyössä tutkitaan uusia CuMoO₄ (CMO) keraamimateriaalien ominaisuuksia; alhaista sintrauslämpötilaa, korkean taajuuden dielektrisiä ominaisia, termokromisia ominaisuuksia, sekä pohditaan materiaalien soveltuvuutta käytännön sovelluksiin. Työ sisältää yksityiskohtaisen tutkimuksen CuMoO₄ (CMO) keraamin, Ag₂O seostetun komposiitin (CMOA) sekä polymorfisen termokromisen CMO seoksen soveltuvuudesta energiataloudelliseksi älykkääksi materiaaliksi. Työn ensimmäinen osa käsittelee CMO keraamin ja CMOA komposiitin valmistusta kiinteän tilan keraamin valmistusmenetelmällä sekä lisäävällä valmistusmenetelmällä. Toisessa osassa tutkitaan rakenteellisia, mikroranteellisia sekä mikroaaltotaajuuden dielektrisiä ominaisuuksia. Valmistetulla CMO keraamilla oli erittäin alhainen sintrauslämpötila 650 °C ja sintrauslämpötilaa onnistuttiin laskemaan CMOA komposiitilla 500 °C. Sekä CMO keraamilla, että CMOA komposiitilla oli hyvät korkean taajuuden dielektriset ominaisuudet. CMO:lle saatiin mittaustaajuudella 12,7 GHz permittiivisyydeksi (εr) 7,9 ja hyvyysluku × taajuus (Qf) 53000 GHz. Vastaavasti CMOA komposiitille mitattiin taajuudella 11,8 GHz, permittiivisyydeksi (εr) 8 ja Qf 36000 GHz. Resonanssitaajuuden lämpötilariippuvuus (τf) todettiin CMO:lla olevan -36 ja CMOA:lla -32 ppm/°C.

Kehitetyistä CMO keraamista ja CMOA komposiitista valmistettiin erittäin matalan sintrauslämpötilan (ULTCC) substraatteja nauhavalumenetelmällä käyttäen ympäristöystävällisiä orgaanisia yhdisteitä sekä yhteissintraamalla ne Al elektrodien kanssa 650 ja 500 °C lämpötilassa. Sintratuilla substraateilla keskimääräinen lämpölaajanemiskerroin (CTE) mittausvälillä 25–300 °C olivat 4,1 (CMO) ja 4,6 (CMOA) ppm/°C. Substraattien mitatut dielektriset ominaisuudet, permittiivisyys ja dielektriset häviöt (tan δ), taajuudella 9,9 GHz CMO:lle olivat 7,5 ja 0,0002 ja vastaavasti CMOA:lle 7,7 ja 0,0004. Polymorfinen CMO seos valmistettiin kehitetystä CMO keraamista kryopuristuksella käyttäen nestemäistä typpeä. Materiaalilla todettiin olevan peruuttamaton termokrominen ominaisuus, jolloin materiaali muuttaa väriä syvän ruskeasta kirkkaan vihreään lämpötila-alueella 25–200 °C.

Työssä tutkitun CuMoO₄ keraamin funktionaaliset ominaiset osoittavat materiaalin potentiaalin erittäin matalan sintrauslämpötilan (ULTCC) mikroaalto- ja älykkäiden materiaalien sovelluksiin tulevaisuuden elektroniikassa.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2376-6
ISBN Print: 978-952-62-2375-9
Issue: 717
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 213 Electronic, automation and communications engineering, electronics
216 Materials engineering
Subjects:
Funding: This thesis work was completed as a part of my supervisor’s European Research Council Advanced Grant (grant no: 24001893) “Ultimate Ceramics” and European Research Council Proof of Concept (grant no: 812837) “FUNCOMP” projects at the Microelectronics Research Unit, University of Oulu.
EU Grant Number: (291132) ULTIMATE CERAMICS - Printed Electroceramics with Ultimate Compositions
(812837) FUNCOMP - Fabricating Functional Components in Room Temperature
Copyright information: © University of Oulu, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.