研究主題與成果

在2018-2020年間，我們利用上述之三段式方形波導系統並搭配適當的定磁場偏壓來量測鐵氧體材料在磁場下非勻稱的鐵磁特性（磁導張量）。當電磁波在具有非勻稱填充物的波導中傳播時，會使波導內本徵模式的色散曲線與場型偏離其原本在勻稱波導系統中的特性。因此，在空氣與材料介面會產生的模式效應：多個波模會在介面同時被激發以滿足邊界條件；多模在波導內的傳播與互相干涉有機會在頻譜上產生許多額外之共振譜線。藉由檢測這些譜線的位置與寬度，我們可以反向推測出非均向材料的磁特性。這個量測方法同時綜合了行波系統（穿透反射法）的寬頻優勢與共振系統（場強化法）的高靈敏度，因此可以快速且準確地測量鐵氧體的介電常數、介電損耗、飽和磁化量、磁損線寬。相關之理論分析模型與實驗結果已發表在“Progress in Electromagnetics Research C” （Prog. Electromagn. Res. C 90, 195-208 (2019)）與 “The Journal of Magnetism and Magnetic Materials” （J. Magn. Magn. Mater. 505, 166712 (2020)）。

不論是使用行波式或共振腔式電磁量測系統，我們皆需要常常面對待測樣品製備挑戰（特定尺寸、特殊幾何形狀、特殊加工方法）與實驗中待測樣品不易填裝等等困難。這些因素往往造成量測效率低落、量測數據不準確、甚至是待測材料污染與破損等風險。在2020-2021年間，我們與張存續教授共同開發一開放式材料測量系統，可以快速測量薄片材料於31－35 GHz的介電常數與介電損耗。首先，我們使用Y型模式耦合器在圓波導中激發TE01模，並利用此模式在波導開口放射端具有非常集中且不易發散的近場特性，來直接量測薄片材料局部的介電值。我們藉由這套新開發的系統，檢測近十種常見的塑膠片材（如：鐵氟龍、聚丙烯、聚乙烯、FR4板材等）在Ka頻段的電性。詳細的數據與校正分析方法已發表在　“Polymers” （Polymers 12, 1891 (2020).）。由於這項技術可以快速檢驗各類PCB板材的品質與狀態，預期可以引起印刷電路板製造商（如: Unimicron Technology Corporation)）興趣，甚至有產學合作的可能。 

由於波導系統可測量的頻帶寬度會大幅受到操作模式截止頻率限制，我們在2020年開發了一系列同軸式的寬頻量測系統操作於無截止頻率之TEM模，可以偵測0.1－20 GHz的寬頻散射訊號；並有繼續拓展到0.1－40 GHz的潛力。此類系統與市面上常見的同軸探針不同的地方是：我們是利用封閉式的全同軸波導系統或是半封閉式的同軸＋圓波導截止反射面來執行散射量測，因此可以大幅降低所需的樣品體積與環境干擾。寬頻的介電響應資訊對於研究液態分子的動力學行為具有相當重要的價值！在2021年，我們利用此套系統測量了常見液態醇類分子（如：甲醇、乙醇、丙醇、丁醇）與酸類分子（如：甲酸、乙酸、丙酸、油酸）以及他們間不同比例之混合物的寬頻介電頻譜。藉由適當的動態鬆弛模型輔助，我們可以推測出異質極性分子之間的交互作用情形，包含其氫鍵網路形成或破壞的模式與程度。我們將這些發現於2022年發表在“Journal of Molecular Liquids” （J. Mol. Liq. 353, 118755 (2022)）。