Approved for public release / This research was part of an ongoing program studying the concept of multi-material dielectrics (MMD) with dielectric constants much higher than homogenous materials. MMD described in this study have dielectric constants six orders of magnitude greater than the best single materials. This is achieved by mixing conductive particles with an insulating surface layer into a composite matrix phase composed of high surface area ceramic powder and aqueous electrolyte. Specifically examined in this study was micron-scale nickel powder treated in hydrogen peroxide (H2O2) loaded into high surface area alumina powder and aqueous boric acid solution. This new class of dielectric, composite electrolyte dielectrics (CED), is employed in an electrostatic capacitor configuration and demonstrated dielectric constant of order 10 [raised to the 10th power] at approximately 1 Volt. Additionally, it is demonstrated that treated nickel can be loaded in high volume fractions in the CED configuration. Prior studies of composite capacitors indicated a general limitation due to shorting. This results from the onset of percolation due to excess loading of conductive phases. Insulated particles described herein are successfully loaded up to 40% by volume, far above typical percolation thresholds. Simple models are presented to explain results. / Lieutenant, United States Navy

This work measured relative permittivity from 15.0 to 55.0 °C of aqueous solutions containing acetone or tetrahydrofuran using a BI 870 dielectric meter. A cubic polynomial fit resulted in coefficients for calculating permittivity as a function of temperature and mole fraction. Literature values for other co-solvent system resulted in similar polynomial coefficients. Using BI 870, permittivity measurements of ionic solutions were not possible because of high conductivity. A simple method using impedance spectroscopy measured these solutions. Impedance decreases with increasing temperature and decreases with increasing ionic strength. Due to the temperature dependence of impedance, all measurements were at 25.0 °C. Anions including bicarbonate, sulfate, acetate, and carbonate were determined using this method. Detection limits were at parts per trillion (ppt) levels. A simple sensor based on smaller stainless steel cylinders and a circuit to determine impedance is currently being developed in combination with an anion exchange column.

This work deals with measurement capacity and dissipation factor of capacitor with real dielectric in frequency range 20 Hz to 30 MHz. Liquid and solid dielectrics are measured by LCR instruments and by test fixtures, both from company Agilent. Relative permittivity and loss number are calculated for different instruments settings. The general aim is to specify the influence of parameters as frequency, voltage, integration time and thickness of material on the uncertainties of primary and secondary quantities for measurement.

In this thesis, different methods for measuring the relative dielectric constant is investigated using simulations and experimental approaches. The first method is known as the S-parameter inversion method. In this method formulae is used to calculate the characteristic impedance of the microstrip line from measured S-parameters. To calculate the value of relative dielectric constant, four expressions for the microstrip line that relate the characteristic impedance to the relative dielectric constant were used. Second method uses an implementation of a band-pass filter and is commonly known as the band-pass filter method. In this method, a band-pass microstrip filter was designed using a predicted relative dielectric constant value. Center frequency of the band-pass filter is chosen to be at the frequency of interest, since relative dielectric constant will be determined around this frequency. The designed band-pass filter was manufactured and the frequency response was measured. To determine the true relative dielectric constant one changes the relative dielectric constant parameter used in the simulation until it matches the measured response of the manufactured PCB. Third method is called the quarter wavelength stub method. It uses implementations of a microstrip quarter wavelength stub because it resonance at different frequencies. The relative dielectric constant is determined using the frequencies on which the reflection occurred. In the fourth method, called the two microstrip line method, two lines of different lengths were designed and the phase difference between the propagating waves were measured. The phase difference and difference in length of the two lines is then used to calculate the relative dielectric constant. The thesis shows that a majority of the methods generates a similar result, thus indicates that they are suitable to determine the relative dielectric constant of any given substrate. The two methods that gave the most accurate results are the quarter wavelength stub method and the band-pass filter method. S-parameter inversion method is the method that has high variations in the results. Since the characteristic impedance that is calculated using the S-parameters are sensitive towards any sort of disturbances. The resulting relative dielectric constant aren't within the expected range for FR-4 both higher and lower values were obtained. The band-pass filter method gives the most accurate results of the methods. As the resulting relative dielectric constant are within the expected range for FR-4. Quarter wavelength stub method gives the results of the relative dielectric constant that are within the expected values of FR-4 and the variation is moderate. Two microstrip line method shows deviations in the results and has non-linearity as well. This is probably coming due to resonance of the line that gives rise to a phase change. This method is also acceptable since the results of the relative dielectric constant are within the expected range for FR-4.

The driving force behind this thesis was the need for developing tissue mimicking materials that can mimic the dielectric properties of various biological soft tissues to aid in the development and testing of electromagnetic medical devices. Materials that can mimic the dielectric properties of human skin, adipose, muscle, malignant and healthy fibroglandular tissue, liver, pancreas, and kidney within the frequency range of 500 MHz to 20 GHz have been characterized and tested. The tissue mimicking materials are used to construct biological phantoms for studies that involve the investigation of wireless medical telemetry and a microwave breast cancer detection device.

This study determines the activation energy parameters for the hydrolysis of acetic anhydride in water/tetrahydrofuran solutions. These values are needed for studies to quantify the effect of the bulk electrostatic environment solvent-solute interactions on the hydrolysis reaction rate. Hydrolysis of an acetic anhydride with water or under basic conditions yields acetic acid. The current study is based on simple hydrolysis of acetic anhydride which produces acetic acid decreasing the pH over time. Simple hydrolysis is monitored by measuring pH versus time at temperatures ranging from 20.0 to 35.0 oC and mole fraction of water ranging from 0.75 to 1.00. Measuring pH over time has advantages over other methods such as conductivity, UV-vis spectroscopy, temperature scanning, FTIR, calorimeter as it is simple, inexpensive and reproducible. Experimental results were used to determine activation enthalpy and entropy for hydrolysis of acetic anhydride using tetrahydrofuran as the co-solvent. These values were determined using the Eyring rate equation under iso-mole fraction and isothermal conditions. Analysis was performed to determine if the activation enthalpy and entropy are temperature dependent. Eyring plots are expected to be linear for iso-mole fractions and isothermal conditions of tetrahydrofuran.

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Der Einsatz von organischen Materialien, insbesondere von Polymeren, hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem Einsatz klassischer Materialien in der Mikroelektronik. Zu diesen zählen Flexibilität, geringes Gewicht, Verarbeitbarkeit durch Verfahren aus Lösung bei Raumtemperatur ohne Notwendigkeit vakuumbasierter Prozesse zur Abscheidung und vieles mehr. Dies ermöglicht eine energie- und kosteneffiziente Herstellung elektronischer Bauteile wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs) oder Leuchtdioden (OLEDs), welche durch Prozesse wie dem Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren nicht länger auf kleine Flächen begrenzt sind. Zur Herstellung polymerbasierter OFETs mit optimiertem Eigenschaftsprofil sind neben innovativen Halbleitern vor allem auch neue Dielektrika mit verbesserten elektrischen Eigenschaften erforderlich, zu deren Entwicklung die vorliegende Arbeit beitragen sollte. Das häufig verwendete Polymethylmethacrylat ist für den Einsatz als Gate-Dielektrikum für die organische und gedruckte Elektronik nur bedingt geeignet. Es zeigt einige Nachteile wie eine mangelnde Stabilität gegenüber bestimmten organischen Lösungsmitteln, was zu Quellung oder Anlösen des Dielektrikums während des Aufbringens weiterer Schichten führen kann. Durch Copolymerisation von Methylmethacrylat mit funktionalisierten Comonomeren sollten die Probleme gelöst und optimierte Methacrylat-Copolymere entwickelt werden. Die Copolymere wurden über freie radikalische sowie RAFT-Polymerisation synthetisiert. Allen gemeinsam sind vernetzbare Comonomere, um die Lösungsmittelstabilität zu verbessern und somit die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums zu erhöhen. Als Vernetzer wurden 4-Benzoylphenylmethacrylat (BPMA) oder Propargylmethacrylat (PgMA) gewählt. BPMA ist UV-vernetzbar, Copolymere mit PgMA können in Gegenwart von mehrfunktionalen Aziden wie 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzen (TAMB) durch Click-Reaktion thermisch vernetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Erhöhung der relativen Permittivität des Dielektrikums zur Steigerung der Kapazität der dielektrischen Schicht, wodurch unter anderem die Betriebsspannung des Transistors reduziert werden kann. Dieses Ziel sollte durch Komposite mit BaTiO3-Nanopartikeln erreicht werden. Zusätzlich zur Steigerung der Permittivität kann dies durch Verringerung der Filmdicke realisiert werden, was jedoch vermehrt zu Leckströmen führen könnte. Neben den dielektrischen Materialeigenschaften spielt vor allem auch die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter eine wesentliche Rolle. Um die Interaktionen an dieser zu verbessern, wurden Comonomere mit selbstorganisierenden Seitenketten in die Polymerstruktur eingebracht. Die Kombination dieser Dielektrika mit chemisch angepassten Halbleitern mit vergleichbaren Seitenkettenfunktionalitäten soll dazu führen, dass die beiden Komponenten durch die Seitenketten verstärkt miteinander wechselwirken. Monomersynthesen sowie anschließende Copolymerisationen waren in hohen Ausbeuten und ausreichenden Molmassen bezüglich der Copolymere erfolgreich. Die strahleninduzierte Vernetzung konnte durch systematische Untersuchungen optimiert und die thermische Vernetzung bei moderaten Temperaturen nachgewiesen werden. Die Vernetzbarkeit von Copolymeren mit selbstorganisierenden Seitenketten erwies sich als gehindert. Hierfür wurde ein Vorschlag zur Erhöhung der Flexibilität der Vernetzerseitenkette unterbreitet. Für die Copolymere P(MMA/BPMA) und P(MMA/PgMA) konnten die Durchbruchfeldstärken in Folge der Vernetzung von < 0.3 MV/cm für PMMA auf bis zu mehr als 5 MV/cm gesteigert werden. BaTiO3-Nanopartikel konnten durch geeignete Methoden erfolgreich synthetisiert werden. Durch Variation der Reaktionsbedingungen war eine gezielte Steuerung der Primärpartikelgröße möglich. So wurden Partikel der Größe < 10 nm, 26 nm und 55 nm realisiert. Die Dispersion der Partikel in organischen Lösungsmitteln sowie in der Polymermatrix war stark abhängig von der Größe der Primärartikel, der Oberflächenmodifikation sowie der Neigung zur Agglomeration. Modifizierte Partikel mit einem Durchmesser < 10 nm konnten sehr gut in Lösungsmitteln wie auch in der Polymermatrix dispergiert werden (Abbildung 2). Eine Steigerung der relativen Permittivität der Nanokomposite blieb jedoch aufgrund der zu geringen Größe der Primärpartikel aus. Darüber hinaus wurden deutlich schlechtere Durchbruchfeldstärken beobachtet. Copolymere mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation sollten durch zwei Konzepte realisiert werden. Im ersten System führte die Polymerisation von x-[4-(4´-Cyanophenyl)phenoxy]alkylmethacrylaten mit Spacerlängen von x = 6 und x = 8 nur in Homopolymeren zu ausgeprägter Selbstorganisation. Copolymere mit 50 mol% waren weitgehend isotrop und wiesen zudem ungenügende dielektrische Eigenschaften auf. Das zweite System basiert auf semifluorierten Methacrylat-Copolymeren mit H10F10-Seitenketten (10 CH2- und 10 CF2-Gruppen). Diese zeigten schon ab einem Gehalt von circa 35 mol% gute Selbstorganisation und bildeten ein geordnetes alternierendes Schichtsystem aus Haupt- und Seitenketten im Bulk und in dünnen Filmen. Die dielektrischen Eigenschaften können mit denen bekannter fluorierter Polymerdielektrika wie CYTOP konkurrieren. Damit stehen die semifluorierten Copolymere zukunftsorientiert zur Kombination mit Halbleitern, welche die gleichen Seitenkettenfunktionalitäten tragen, bereit, um so durch starke Interaktionen zwischen Dielektrikum und Halbleiter die Grenzfläche zu optimieren. Mit thermisch vernetztem P(MMA/PgMA) konnten OFETs mit den Halbleitern Pentacen bzw. C60 erfolgreich hergestellt und vermessen werden. Beide Transistoren liefern gute und mit Literaturwerten vergleichbare Kenngrößen. Die Ladungsträgermobilitäten und Ion/Ioff-Verhältnisse betragen 0.3 cm²/Vs und 6.0x10^5 im Pentacen-basierten Transistor beziehungsweise 1.3 cm²/Vs und 4.4x10^5 im OFET mit dem Halbleiter C60. Damit konnte in dieser Arbeit die Steigerung der Durchbruchfeldstärke durch geeignete Vernetzung der Copolymere realisiert werden. Die thermische Vernetzung fand bei deutlich geringeren Temperaturen als zahlreiche in der Literatur beschriebene Reaktionen statt. Die Synthese und Modifizierung von BaTiO3-Nanopartikeln und auch die Bildung entsprechender PMMA-BaTiO3-Nanokomposite war erfolgreich, führte jedoch nicht wie erwartet zu einer Steigerung der relativen Permittivität der Dielektrika-Schichten. Vernetzbare und selbstorganisierende semifluorierte Methacrylat-Copolymere konnten polymerisiert und charakterisiert werden und stehen als innovative dielektrische Materialien für Untersuchungen in OFETs zur Verfügung. Das Copolymer P(MMA/PgMA) wurde zielführend in organischen Feldeffekttransistoren eingesetzt und führte zu guten elektrischen Eigenschaften der Bauteile.

Abstract When producing ferrochrome, a submerged arc furnace (SAF) is used. The charge of an SAF consists of chromite pellets, coke, lumpy ore and quartzite as a slag modifier. The charge is pre-heated before it descends into the SAF where the charge eventually reduces and melts. The electrical conductivity of the charge is important because, among other things, it affects the productivity of the furnace. The electrical conductivity of the charge should ideally be low on the higher parts of the furnace and high near the electrode tip. This is to ensure that the electric current path travels through the metal bath via arcing, which provides the most effective heat transfer. Another option for the current path would be through the solid feed material via ohmic conduction, but since this zone is less reactive, the heat energy would be mostly wasted. This work brings forth new information about the electrical behaviour of coke and chromite pellet is produced. The electrical conductivity was measured at room temperature for different simulated process conditions (different coke textures, different reduction degrees of chromite pellets, sulphur in atmosphere and replacing the coke used in chromite pellet production with charcoal). It was found out that unlike gasification with a CO/CO2 mixture, heat treatment at 950&#176;C increased the degree of graphitization and changed the electrical behaviour of coke. Furthermore, it was observed that increasing the chromite pellets’ reduction degree reduced the electrical conductivity measured at room temperature. In the case of chromite pellets and sulphur in the atmosphere it was found that sulphur has an effect on the pellets’ electrical behavior and structure during reduction, which - in turn - has an effect on the SAF performance when raw materials with varying sulphur contents are used. Lastly, it was found that substituting coke with charcoal when producing chromite pellets affects the sintering behaviour, cold compression strength, and electrical conductivity of the chromite pellets. / Tiivistelmä Uppokaariuuni on osa ferrokromin valmistusprosessia. Uppokaariuuniin panostetaan kromiittipellejä, koksia, palarikastetta ja kvartsiittia. Etukuumennusuunista panos laskeutuu uppokaariuuniin, jossa se pelkistyy ja lopulta sulaa. Uppokaariuunin panoksen sähkönjohtavuus on tärkeää uunin toiminnan kannalta, koska se vaikuttaa suoraan esimerkiksi tuottavuuteen. Jotta virran kulku tapahtuisi optimaalisesti sulan metallin kautta, panoksen sähkönjohtavuuden tulee olla pieni uunin yläosissa ja suuri alaosassa lähellä elektrodien päitä. Mikäli virran kulku tapahtuu uunin yläosassa, hukataan lämpöenergiaa ja uunin toiminta hankaloituu. Tässä työssä on selvitetty koksin ja kromiittipellettien sähköisiä ominaisuuksia. Sähkönjohtavuutta on tutkittu useilla simuloiduilla prosessiolosuhteilla (koksin eri tekstuurit, kromiittipellettien eri pelkistysasteet, rikin pitoisuus atmosfäärissä ja kromiittipellettien valmistuksessa on korvattu koksi puuhiilellä). Nämä mittaukset on tehty huonelämpötilassa. Huomattiin, että toisin kuin koksin kaasutus, koksin lämpökäsittely (950&#176;C) nosti grafitoitumisastetta ja vaikutti sähköisiin ominaisuuksiin. Kromiittipelletin pelkistymisasteen noustessa huonelämpötilassa mitattu sähkönjohtavuus laski. Kun kromiittipelletit altistetaan atmosfäärille, jossa on rikkiä, pellettien sähköiset ominaisuudet muuttuvat samoin kuin rakenne pelkistyksen aikana. Tämä vaikuttaa uppokaariuunin toimintaan, kun käytetään raaka-aineita, joissa rikkipitoisuus vaihtelee. Kun kromiittipellettien valmistuksessa käytettävä koksi korvataan puuhiilellä, tämä vaikuttaa sintrausprosessiin, kylmälujuuteen ja sähköisiin ominaisuuksiin.

This thesis aims to determine the distribution of the relative permittivity for random mixtures of material using electromagnetic simulations. The algorithm used in the simulations is the FDTD method which solves Maxwell's equations numerically in the time-domain. The material is modeled as randomly shaped particles with radius 12 ± 10 micrometre in x- and y-direction and radius 3 ± 1 micrometre in zdirection. The scattering parameters from the transmitted and reflected electric field when a plane wave interacts with the material are measured. The relative permittivity is determined from the scattering parameters using the iterative Baker-Jarvis method. The simulations shows that both the distribution and the value of the relative permittivity is low when the particles have non conducting layers to force interruptions to prevent percolation, a conducting path between the particles. The most important result is of the kind where the simulations do not have any boundaries to prevent percolation. These simulations reflects how the relative permittivity distributes in real measurements. It is established that the value of the relative permittivity has a large distribution and also that percolation occurs because of the periodic structures.