近年來，隨著科技的進步，無線行動通訊系統及衛星通訊應用日 益普遍，利用介電材料性質所製作而成的高頻微波通訊元件應用相當 廣泛，如與入射電磁波耦合形成駐波而具有電子共振器之作用的介電 諧 振 器 (dielectric resonator ， DR) 、 可 供 頻 道 選 擇 的 介 電 濾 波 器 (dielectric filter)、適用於全球定位系統 (globalpositioningsystem，GPS) 的介質天線 (dielectric antenna) 與近來相當熱門的低 溫 共 燒 多 層 陶 瓷 (low temperature co-fired ceramic，LTCC)，故微波介電材料的量測 與分析其介電特性有相當高的研究價值。
圖 1.1 是針對目前已發展與研究的微波介電材料依照介電特性 及結構進行統計[1]，圖中以微波介電材料的介電常數 (dielectric constant，εr or ε1 ) 和品質因子 (quality factor，Q × f) 兩項重要的介 電性質為 X、Y 軸呈現各種不同材料的特性分佈及材料的三大應用 方向，由
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1r/2 知介電常數 εr 可用來調變波長，品質因數 Q 則定義為介電損失 (dielectric loss，tanδ) 的倒數，而共振頻率溫度係 數 (τf ) 是用來表示材料對溫度的穩定性，以上所述這三項參數 εr、
Q × f、τf 為微波介電材料中最重要的三大特性參數。微波介電材料 應用方向分為三大類，第一類是需要較高 εr，主要應用於微型的行動 電話，第二類朝是高 εr 及 高 Q × f 的方向發展，主要應用在需要增加訊號雜訊比 (signal/noise ratio，SNR) 的行動電話基地台，第三 類材料的低 εr 及 高 Q × f 特性，則是應用於厘米波 (millimeter - wave) 範 圍 有 效 的 裝 置 ， 如 超 高 速 無 線 網 路 、 智 慧 運 輸 系 統 (intelligent transportation system, ITS)。表 1.1 列出目前已開發的陶瓷 介 電 材 料 及 其 介 電 特 性 [2-4] ， 其 中 Ba2Ti9O20、 BaTi4O9、 BaO-Sm2O3-4TiO2、BaO-Nd2O3-4TiO2、Li-Nb-Ti-O 及 BiNbO4 都屬 於第一類材料，(Zr,Sn)TiO4、Ba[Sn,(Mg1/3Ta2/3)]O3 及 ZnTiO3 都屬於 第二類材料，Mg4Nb2O9 則是屬於第三類材料。
以下為本論文研究的兩類材料系統：
一、複合型鈣鈦礦結構 A(B’1/2B”1/2)O3 系統：
屬第一類材料，圖 1.2 為一般鈣鈦礦陶瓷的結構 (ABO3)，陽離 子 B 位於單位晶格中心並與面心位置上的氧陰離子形成八面體，另 一陽離子 A 位於單位晶格的八個頂點上，通常鈣鈦礦相陶瓷的自發 極化現象是因為 B 位置的陽離子偏移，而本論文研究的複合型鈣鈦 礦 形 式 為 A(B’1/2B”1/2)O3， 其 中 A = La ； B’= Mg ； B” = Ti ， La(Mg1/2Ti1/2)O3 在這種 B-site 陽離子為 1:1 的複合型鈣鈦礦結構 在微波頻段具有相當高的品質因數 Q，代表其介電損失小，因此具 有很高的應用價值。在本論文中我們與淡江大學物理系林諭男教授研 究團隊合作，量測分別以固態法及檸檬酸鹽法製成的 La(Mg1/2Ti1/2)O3
樣品，主要想探討不同的製程對樣品介電特性造成的影響，藉由量測 x 光繞射能譜、拉曼光譜及紅外光光譜，並透過光譜理論推算兩個樣 品重要的介電特性 εr、Q× f，了解兩種不同製程產生的差異性。
二、四方金紅石 (A2+1/3B5+2/3)1/2Ti1/2O2 結構系統 (rutile)：
屬第二類材料，因最早開始被製作成介電諧振器的陶瓷材料 TiO2 具有高達 100 的介電常數和高品質因子，但其共振頻率溫度係 數 τf 高達 - 420 ppm/ ℃，在材料的應用上不符合介電諧振器的基本 要求，因此京畿大學的金 (Eung Soo Kim) 教授與他的共同研究團隊 製 作 了 一 系 列 由 二 價 及 五 價 的 離 子 混 合 取 代 部 分 的 Ti4+， 形 成 (A2+1/3B5+2/3)1/2Ti1/2O2 (A2+ = Mg, Ni, and Zn, B5+ = Nb and Ta) 結構，利 用不同的組合製成六個同為 rutile 結構但元素不完全相同的樣品，而 本實驗室與金教授團隊合作，研究探討此 rutile 系列樣品的紅外光光 譜響應，觀察晶體的振動行為，以幫助我們了解影響材料介電特性的 機制。
本論文其他章節大綱介紹如下：
第 二 章 為 研 究 背 景 ， 介 紹 La(Mg1/2Ti1/2)O3 及 (A2+1/3B5+2/3)1/2Ti1/2O2 兩類微波材料的重要物理性質與文獻回顧。
第三章為實驗儀器設備與基本原理，包括顯微拉曼光譜儀、本實
第四章為實驗樣品特性，介紹樣品的製程、表面結構、晶格結構、
x 光粉末繞射能譜及介電特性。
第五章為實驗結果與討論，研究樣品的拉曼光譜、紅外光光譜響 應，並探討遠紅外光聲子吸收與微波介電特性的關聯性。
第六章為結論與未來展望。
表 1.1 常見微波介電陶瓷材料[2-4]。
Material ε
1Q (GHz) τ
f(ppm/℃) Sinter Temp.
(℃)
Ba2Ti9O20 40 3500 (10 GHz) 5 1340 BaTi4O9 38 3000 (10 GHz) 3 1330 (Zr,Sn)TiO4 38 13000 (3 GHz) 0 1330 MgTiO3-CaTiO3 21 8000 (7 GHz) 0 1280
Ba[Sn,(Mg1/3Ta2/3)]O3 25 40000 (2 GHz) 0 1650 BaO-Sm2O3-4TiO2 80 4000 (2 GHz) -10 1350 BaO-Nd2O3-4TiO2 90 2000 (2 GHz) -50 1350
ZnTiO3 30 10000 (10 GHz) 325 1250 Mg4Nb2O9 10 25000 (10 GHz) -75 1350 Li-Nb-Ti-O 75 2500 (4 GHz) 0 1150
BiNbO4 43 4000 (2 GHz) 15 880
圖 1.1 已發展的介電材料之特性分佈及未來材料三大發展趨勢圖 [1]。
圖 1.2 立方晶系的單位晶胞鈣鈦礦結構。