University of Oulu

Synthesis of porous dielectric materials for future wireless high frequency applications

Saved in:
Author: Pálvölgyi, Petra1,2
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, 3.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526235660
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2023
Publish Date: 2023-01-13
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 20 January 2023, at 12 noon
Tutor: Professor Krisztián Kordás
Docent Sami Myllymäki
Reviewer: Professor Kees De Groot
Professor Kuzhichalil Peethambharan Surendran
Opponent: Professor Ronald Österbacka
Description:

Abstract

In future, high frequency applications and devices need to be able to cope with ultra-reliable and extremely low-latency data transmission, thus dielectrics of substrates and other structural components are expected to have low relative permittivity and loss factor to ensure the ideal propagation of electromagnetic waves; this may be achieved by introducing pores into the material.

In the present work, various porous silica-based dielectric materials and composites with excellent electromagnetic properties at millimeter wave frequency bands and beyond have been developed. First, a porous composite of silica nanoshells and cellulose nanofibers was made having permittivity and loss factor of 1.19 and 0.01 at 300 GHz, respectively. Next, to achieve even better electromagnetic performance, a nanocellulose film-enveloped silica foam was synthetized with a porosity of 98.9%, resulting in extremely low permittivity and loss factor (1.02 and 0.0003, respectively at 300 GHz). The feasibility of the two silica-cellulose-based materials for high frequency applications was demonstrated by sputtering thin metal film patterns on their surfaces for filter and lens applications operating at 300 GHz. The synthetized dielectrics are suitable candidates for devices operating at higher frequencies, according to their electromagnetic properties, measured up to 2 THz. Finally, our research was focusing on porous dielectric materials which had higher mechanical strength; therefore, porous composites of silica nanoshells and poly(methyl methacrylate) were synthetized, having dielectric permittivity and loss factor of 1.51 and 0.004, respectively, at 200 GHz. Capitalizing on the thermoplastic behavior of the composite, it was processed further by hot pressing in a mold to produce a bullet shaped refractive lens, with operating frequency at around 140 GHz.

The results presented in this thesis show a great potential of porous silica materials as dielectric substrates for future high frequency devices. Although the developed materials are highly porous, the silica nanostructures, together with the binders or envelope films, could form structural components having sufficient surface smoothness to support metal micropatterns of split-ring resonator arrays and Fresnel lenses or to form air-matter interfaces suitable for refractive components such as bullet-shaped lenses.

see all

Tiivistelmä

Tulevaisuuden suurtaajuussovelluksissa laitteiden on kyettävä erittäin luotettavaan ja alhaisen viiveen tiedonsiirtoon, joten substraateilta ja muiden rakenteellisten komponenttien dielekteiltä odotetaan sekä alhaista suhteellista permittiivisyyttä että häviökerrointa sähkömagneettisten aaltojen ihanteellisen etenemisen varmistamiseksi. Tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi lisäämällä materiaaliin huokoisuutta.

Tässä työssä on kehitetty erilaisia huokoisia piidioksidipohjaisia dielektrisiä materiaaleja ja komposiitteja, joilla on erinomaiset sähkömagneettiset ominaisuudet millimetrin ja sitä pienemmillä aallonpituuksilla. Ensimmäisenä valmistettu materiaali oli huokoinen piidioksidin nanokuorista ja selluloosananokuiduista koostuva komposiitti, jonka permittiivisyys ja häviökerroin olivat 1.19 ja 0.01 300 GHz:n taajuudella. Vielä paremman sähkömagneettisen suorituskyvyn saavuttamiseksi syntetisoitiin nanoselluloosakalvopäällysteinen silikavaahto, jonka huokoisuus oli 98.9 %, mikä johti erittäin matalaan permittiivisyyteen ja häviökertoimeen (vastaavasti 1.02 ja 0.0003 300 GHz:n taajuudella). Näiden kahden silika-selluloosapohjaisen materiaalin soveltuvuus suurtaajuussovelluksiin osoitettiin sputteroimalla metallisia ohutkalvokuvioita materiaalien pinnoille suodatin- ja linssisovelluksia varten. Vaikka esitetyt laitteet on suunniteltu toimimaan 300 GHz:n taajuudella, syntetisoidut dielektridit soveltuvat sähkömagneettisilta ominaisuuksiltaan myös korkeammilla taajuuksilla toimiviin laitteisiin aina 2 THz:iin asti. Viimeisenä vaiheena tutkimus keskittyi paremman mekaaninen lujuuden huokoisiin dielektrisiin materiaaleihin. Nämä komposiitit syntetisoitiin huokoisista piidioksidin nanokuorista ja poly(metyylimetakrylaatista), ja niiden dielektrinen permittiivisyys ja häviökerroin saavuttivat 1.51 ja 0.004 arvot 200 GHz:llä. Hyödyntäen komposiitin termoplastisia ominaisuuksia se jatkoprosessoitiin kuumapuristamalla muotissa luodin muotoiseksi taittolinssiksi, jonka toimintataajuus oli noin 140 GHz.

Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavat huokoisten piidioksidimateriaalien suuren potentiaalin tulevaisuuden suurtaajuuslaitteiden dielektrisinä materiaaleina. Vaikka kehitetyt materiaalit ovat erittäin huokoisia, piidioksidin nanorakenteet voivat yhdessä sideaineiden tai -kalvojen kanssa muodostaa rakenteellisia komponentteja, joiden pinta on riittävän sileä tukemaan halkaistujen rengasresonaattoriryhmien ja Fresnel-linssien metallisia mikrokuvioita tai muodostamaan ilma-materiaalirajapintoja refraktiokomponenteille, kuten luodin muotoisille linsseille.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Pálvölgyi, P. S., Nelo, M., Pitkänen, O., Peräntie, J., Liimatainen, H., Myllymäki, S., Jantunen, H., & Kordas, K. (2020). Ultra-low permittivity porous silica-cellulose nanocomposite substrates for 6G telecommunication. Nanotechnology, 31(43), 435203. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aba4cc

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Pálvölgyi, P. S., Sebők, D., Szenti, I., Bozo, E., Ervasti, H., Pitkänen, O., Hannu, J., Jantunen, H., Leinonen, M. E., Myllymäki, S., Kukovecz, A., & Kordas, K. (2021). Lightweight porous silica foams with extreme-low dielectric permittivity and loss for future 6G wireless communication technologies. Nano Research, 14(5), 1450–1456. https://doi.org/10.1007/s12274-020-3201-2

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Kokkonen, M., Palvolgyi, P. S., Sliz, R., Jantunen, H., Kordas, K., & Myllymäki, S. (2022). An ultra-low loss and light weight cellulose coated silica foam for planar Fresnel zone plate lens applications in future 6G devices. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. Advance online publication. https://doi.org/10.1109/LAWP.2022.3203434

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Palvölgyi, P. S., Kokkonen, M., Sliz, R., Jantunen, H., Kordas, K., Myllymäki, S. (2022). Porous low-loss silica-PMMA dielectric nanocomposite for high frequency bullet lens applications. Manuscript submitted for publication.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3566-0
ISBN Print: 978-952-62-3565-3
Issue: 867
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 221 Nanotechnology
Subjects:
Funding: This study has been financially supported by the Academy of Finland (6G Flagship) and the University of Oulu (PoC project Ultra-low permittivity and loss porous nanocomposites for future 6G telecommunication). The personal grants received from the Walter Ahlström Foundation and Oulu University Scholarship Foundation are gratefully acknowledged.
Copyright information: © University of Oulu, 2023. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.