This thesis reports on results in the fields of experimental spin- and general wave dynamics.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2007. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 122-125).

La minimisation des circuits et la montée en fréquence constituent deux enjeux importants des systèmes de communication du futur. Cela nécessite un haut degré d'intégration, des performances plus élevées à coût réduit. Ce travail a pour objectif la conception et la réalisation de nouveaux isolateurs réalisés sur ligne coplanaire asymétrique à base de deux types de matériaux ferrite : hexaferrite de baryum (BaM) et grenat d’yttrium et de fer (YIG). La première étude, présentée sur une structure coplanaire à couche de BaM, a été effectuée pour montrer la faisabilité d’un isolateur à déplacement de champ dans la bande 40-50 GHz. La seconde a utilisé le YIG saturé pour des applications autour de 10 GHz. La nouvelle structure d’isolateur utilise le phénomène physique de déplacement de champ lorsqu’elle est polarisée par un champmagnétique continu. Elle est constituée d’une ligne coplanaire asymétrique gravée sur une couche ou un substrat magnétique et d’un demi-plan de masse arrière. Plusieurs séries de prototypes ont été fabriquées puis caractérisées à partir d’un banc de mesure hyperfréquence composé d’un testeur sous pointes à trois accès et d’un analyseur vectoriel de réseaux. Les résultats expérimentaux sont très encourageants car nous obtenons des pertes d’insertion faibles, dans le meilleur des cas inférieures à 1 dB et une isolation de plus de 16 dB. / The minimization of circuits and the increasing frequency are two important issues of future communication systems. That requires a high degree of integration, higher performance at reduced cost. This work aims to design and implementation of new isolators on coplanar line based on two types of ferrite materials: barium hexaferrite (BaM) and garnet and yttrium iron (YIG). The first study presented on a planar layer of BaM leads to the feasibility of the isolator of field displacement in the 40-50 GHz band. The second one concerns the use of saturated YIG for applications around 10 GHz. The magnetic field displacement phenomenon appears when the magnetic substrate is polarized by a D.C. magnetic field. The new isolator structure is made from an asymmetric coplanar line put on a layer or magnetic substrate with a half ground plane placed under this substrate. Several sets of prototypes are fabricated and characterized from a measurement bench which is composed by a microwave prober and a vector network analyzer. The experimental results are very promising because low insertion loss (less than 1 dB) and isolation (over 16 dB) have been obtained

Les systèmes embarqués dans les aéronefs comme dans les véhicules spatiaux doivent impérativement se conformer aux impératifs de masse et de volume mais aussi de coût. Les modules actifs pour antenne à balayage électronique constituent, dans ce cadre, un enjeu stratégique majeur en termes de masse, de volume et de fiabilité. Dans une antenne à balayage électronique actuelle, on peut trouver jusqu’à 1000 modules, chacun étant équipé d’un circulateur-isolateur afin de garantir ses performances. La technologie des circulateurs et des isolateurs à ferrite reste la plus performante en termes d’isolation et de pertes d’insertion. Elle est de plus totalement passive et ne demande aucune énergie extérieure pour son fonctionnement. Elle reste néanmoins coûteuse car la fabrication industrielle de ces dispositifs consiste à assembler mécaniquement de nombreuses pièces usinées précisément : céramiques magnétiques et diélectriques, aimants, conducteurs en cuivre et pièces en métal magnétique doux. De plus, le niveau d’intégration recherché nécessite de réduire les dimensions sans augmenter les pertes pour des niveaux de puissance qui peuvent être importants. S’inspirant des composants céramiques multicouches (condensateurs et inductances) ainsi que de la technologie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics), une nouvelle voie de fabrication de ces composants, en rupture avec les technologies d’assemblage traditionnelles, est abordée dans ces travaux de thèse. L’idée consiste à réaliser par cofrittage le cœur du composant qui est le plus délicat à ajuster et qui détermine le volume final. Les ferrites qui constituent actuellement le cœur des circulateurs sont principalement des grenats ferrimagnétiques fabriqués par des techniques céramiques classiques et frittés à haute température (> 1400°C). Pour les rendre compatibles de la technologie LTCC, il est nécessaire de diminuer leur température de frittage. Les températures visées doivent être inférieures à 1000°C pour pouvoir cofritter avec des parties métalliques en or et si possible être proches de 900°C pour espérer cofritter avec de l’argent. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse était de mettre au point des grenats ferrimagnétiques pour des applications en hyperfréquences présentant des températures de frittage proche de 900°C. Ces ferrites ont alors été utilisés pour la réalisation de circulateurs hyperfréquences, composants indispensables dans les systèmes de Radars et de télécommunications. De plus, des études d’optimisation des propriétés magnétiques et diélectriques de ces ferrites ont aussi été réalisées pour adapter le ferrite aux conditions de fonctionnement (gamme de fréquence et niveau de puissance). / Embedded systems in aircraft must comply with the requirements of mass, volume and cost. The active modules of electronic scanning antenna are, in this context, a strategic challenge in terms of mass, volume and reliability. Today, there are up to 1000 modules per antenna, each one containing a circulator-isolator in order to guarantee its performances. The technology of ferrite circulators and isolators remains the most efficient in terms of isolation and insertion losses. It is also fully passive as no external energy is required to work. However this technology is expensive due to complex mechanical assembling of the different materials: magnetic and dielectric ceramics, magnets, conductors made of copper and soft metallic material. The integration of such devices also requires the reduction of dimensions without increasing losses for power levels that can be high. Based on by multilayer ceramic components (capacitors and inductors) as well as Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) technology, a new way of manufacturing these components, is investigated in this PhD work.. The idea is to be able to cofire the heart of the component which is the most difficult to adjust and also determines the final volume. The ferrites which currently constitute the core of the circulators are ferrimagnetic garnets synthetized by using a conventional ceramic process and sintered at high temperature (> 1400°C). To make them compatible with LTCC technology, it is essential to reduce their sintering temperature. The targeted temperatures must be less than 1000°C in order to cofire with gold metal parts and, if possible, close to 900°C for circulators with silver. In this context, the objective of this PhD work was to develop a ferrimagnetic garnet for microwave applications with sintering temperatures close to 900°C. This ferrite was then used for the preparation of microwave circulators which are essential components in radar and telecommunications systems. In addition, studies of optimization of the magnetic and dielectric properties have also been carried out to meet the operating requirements (frequency band and power level).

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19728号 / 工博第4183号 / 新制||工||1645(附属図書館) / 32764 / 京都大学大学院工学研究科材料化学専攻 / (主査)教授 田中 勝久, 教授 平尾 一之, 教授 三浦 清貴 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

This article belongs to the Proceedings of The 37th International Symposium on Dynamical Properties of Solids.

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The goal of this research was the fabrication of thin films with magneto-optic (MO) properties. Accomplishment of this task was achieved via sol-gel processing of rare-earth and aluminum substituted yttrium-iron garnet (RxY3-xAlyFe5-yO12, R,Al:YIG), where R= Bi, Gd, Er, Ho. Detailed are the processing conditions, parameters and results leading to R,Al:YIG films with MO response. Success was attained with a 0.25M Gd,Al:YIG solution spin coated for 120 seconds at 3500rpm onto a (111) gadolinium gallium garnet (GGG) substrate and calcinated at 900°C for 4 hours. Samples were characterized via x-ray diffraction (XRD), magneto-optical loop tracer, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS), profilometry and optical microscopy. / Master of Science

Optical and structural properties of nanopowders of Y3Al5O12 (YAG), Y3-xEuxAl5O12 (YAG:Eu) and Y3-xCexAl5O12 (YAG:Ce) (x=1 and 2mol%) were studied in the present work. The samples were synthesized via the Proteico Sol-Gel Process. X-ray diffraction showed that YAG single phase could be obtained after calcinations of the xerogels at 950°C/3h or 1050°C/2h. The scanning electron microscopy confirmed that at 950°C/3h the powders are formed by rods with a diameter of about 68 nm and 0.7 ìm in length. For the samples produced at 1050°C/2h two types of morphology were found consisting of needles with a diameter around 44 nm and 0.72 ìm in length, and rounded particles with an average diameter of 130 nm. The Energy-dispersive X-ray spectroscopy confirmed the presence of the dopants and showed that in all nanopowders there were impurities inherited from coconut water. The XANES results confirmed that the dopant ion was incorporated in YAG:Eu nanopowders, as Eu3+ and in the YAG:Ce nanopowders, the dopant was incorporated predominantly as Ce4+ ions. The radioluminescence emission spectra of YAG:Eu and YAG:Ce nanopowders were composed by the typical transitions characteristics of the Eu3+ and Ce3+ ions in the visible region. . Only the YAG:Eu nanopowders showed photoluminescence emission and the reason is that in the case of the Ce-doped YAG most part of the dopant is in its tetravalent charge state that is not optically active.. Nevertheless, the lifetime of the luminescent of the Ce-doped nanopowders were possible to obtain using monochromatic pulsed X-rays and the characteristic lifetime constant is around 48 ns. / Neste trabalho foram estudadas as propriedades opticas e estruturais exibidas pelos nanopos de Y3Al5O12(YAG), Y3-xEuxAl5O12 (YAG:Eu) e Y3-xCexAl5O12(YAG:Ce), onde x=1 e 2mol%, sintetizados via o Processo Sol-Gel Proteico. A difratometria de raios X demonstrou que a fase unica YAG e formada nos pos apos calcinar os xerogeis precursores a 950 C/3h e 1050 C/2h. As analises por microscopia eletronica de varredura confirmaram que em 950 C/3h os pos sao formados por bastoes com diametro em torno de 68 nm e 0,7 Êm de comprimento, e em 1050 C/2h as amostras passam a apresentar dois tipos de morfologia constituida por agulhas com diametro em torno de 44 nm por 0,72 Êm de comprimento e particulas arredondadas com diametro em torno de 130 nm. A espectroscopia de raios X por dispersao de energia confirmou a presenca dos ions dopantes e demonstrou que em todos os nanopos ha impurezas herdadas da agua de coco. Os resultados de XANES confirmaram que o ion Eu3+ foi incorporado nos nanopos de YAG:Eu no estado de oxidacao trivalente e nos nanopos de YAG:Ce houve a incorporacao predominantemente de ions Ce4+. Medidas do espectro de emissao radioluminescente indicaram que nos nanopos de YAG:Eu e YAG:Ce aparecem as transicoes responsaveis pelas emissoes caracteristicas dos ions Eu3+ e Ce3+. Nas medidas de fotoluminescencia so foi possivel obter o espectro de emissao dos nanopos de YAG:Eu ja que na amostra dopada com Ce o estado de oxidacao predominante e o tetravalente. O tempo de vida da luminescente foi medida utilizando raios X monocromaticos e pulsado e, para os nanopos dopados com Ce, o tempo de vida caracteristico esta em torno de 48 ns.

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