Effect of Zn Site for Ca Substitution on Optical and Microwave Dielectric Properties of ZnAl_<b>2</b>O_<b>4</b>Thin Films by Sol Gel Method

<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Ca</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Zn</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Al</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math>(<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M2"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math>= 0.00, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, and 0.30) thin films were prepared by a sol gel method. The XRD patterns displayed the characteristic peaks of (Ca/Zn)Al 2 O 4 with the standard pattern of face-centred cubic (fcc). The addition of Ca decreased the lattice constant from 14.6 nm to 23.2 nm. The optical bandgap of undoped thin film was found to be at 3.84 eV while for doped Ca was observed at 3.50 to 3.73 eV. The substitution of Zn 2+ by Ca 2+ in ZnAl 2 O 4 thin films was found to increase the crystallite size, grain size, and surface morphology which evidently affect the density and dielectric constant. The<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M3"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Ca</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Zn</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced separators="|"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Al</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math>thin films were characterized at 20 to 1 MHZ frequency to determine the dielectric constant<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M4"><mml:mrow><mml:mfenced separators="|"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math>and unloaded quality factor<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M5"><mml:mrow><mml:mfenced separators="|"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math>using LCR spectrometer. It can be observed that specimen using Ca 0.25 Zn 0.75 Al 2 O 4 possesses<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M6"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>~</mml:mo><mml:mn>10.41</mml:mn></mml:math>and<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M7"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>~</mml:mo><mml:mn>5770</mml:mn></mml:math>which is suggested as a candidate material for millimetre-wave applications. Therefore, this ceramic is suggested as a candidate material for GPS patch antennas.