Керамика Na0,5Sm0,5TiO3 + x моль Cr2O3 (x = 0, 0,25 %, 0,5 %, 0,75 %, 1 %, 1,25 % и 1,5 %) традиционно была приготовлена методом твердофазной реакции в рамках одного процесса синтеза. Все образцы были идентифицированы как структура орторомбического перовскита с пространственной группой Pnma. Как рентгенограммы, так и результаты уточнения показали, что Cr3+ внедрился в решетку в узлах Ti, что привело к увеличению объема ячейки. Уплотнение можно улучшить, добавив соответствующее количество Cr2O3 (0,25%≤ x≤1%). Диэлектрическая проницаемость (εr) немного увеличивалась при x≤0,25%, а затем уменьшалась при дальнейшем добавлении Cr2O3, что показало аналогичную тенденцию изменения диэлектрической поляризуемости. Температурный коэффициент резонансной частоты (τf) был снижен со 199,3 м.д./°С до 160,8 м.д./°С за счет увеличения валентности связи В-сайта. Экспериментальные результаты XPS подтвердили значительное увеличение добротности (Q×f) с 8993 ГГц при x = 0 до 11854 ГГц при x = 1% из-за ограничения восстановления Ti4+ до Ti3+. При добавлении 1% мол. Cr2O3 керамика Na1/2Sm1/2TiO3, спеченная при 1450°C в течение 2 ч, показала высокие микроволновые диэлектрические свойства εr=96, Q×f=11854 GHz and τf =171.2 ppm/°C.
1. Введение
С появлением технологии 5G в беспроводной связи спрос на микроволновую диэлектрическую керамику с высокими характеристиками резко возрос из-за их первостепенной роли в микроволновых приложениях, таких как спутники и любые портативные терминалы. В последние десятилетия исследователи добились больших успехов в поиске множества микроволновых керамических систем с высокой диэлектрической проницаемостью (εr), высокой добротностью (Q×f) и регулируемым температурным коэффициентом резонансной частоты (τf), таких как Li2O-BO- керамика TiO2 (B=Zn2+, Mg2+), A(B′1/3B″2/3)O3 (A=Ba, Ca, B′=Zn2+, Mg2+, Co2+ и Ni2+, B″=Ta, Nb) и BaO-Ln2O3-TiO2 (Ln=редкоземельный элемент) [1-4]. Хотя эта керамика обладает превосходными микроволновыми характеристиками, их диэлектрическая проницаемость в основном колеблется в диапазоне от 10 до 80, что не соответствует дальнейшим требованиям миниатюризации. Керамическая система Na0,5Sm0,5TiO3 (NST), относящаяся к серии СВЧ-керамики Na0,5Ln0,5TiO3 (Ln=La, Nd и Sm), обладает высокой диэлектрической проницаемостью (εr=100,5), высокой добротностью ( Q×f=8993 ГГц) [5-7]. Из-за высокой диэлектрической проницаемости керамика Na0,5Sm0,5TiO3 со структурой орторомбического перовскита рассматривается как перспективный кандидат для миниатюризации микроволновых диэлектрических устройств [6]. Однако во многих сообщениях о керамических системах на основе титана [8-11] обычно обнаруживается серьезное ухудшение диэлектрических потерь в микроволновом диапазоне из-за восстановления Ti4+ до Ti3+ при высокой температуре спекания. Как нам известно, восстановление Ti4+ до Ti3+ вредно для использования Na0,5Sm0,5TiO3 в качестве резонаторных материалов. И усилия по сдерживанию сокращения Ti4+ в последнее время были активными. Диэлектрические потери будут значительно уменьшены путем легирования рядом двухвалентных и трехвалентных акцепторных катионов с ионным радиусом от 0,5 до 0,95 Å, таких как Zn2+, Mg2+, Mn2+, Cu2+, Co2+, Mn3+, Cr3+, Al3+ и B3+. Например, Пуллар и др. [9]. показали, что «темную дыру» можно вылечить путем добавления этих катионов в керамику TiO2, и можно добиться резкого улучшения εr и Q×f. Хуанг и др. В работе [8] сообщается, что значительное повышение добротности было достигнуто при добавлении Mn2+, Cu2+ и Co2+ в керамику Ba4.2Nd9.2Ti18O54. Фанг и др. [11] утверждали, что надлежащее количество Al3+, замещающее Ti4+, было полезно для улучшения показателей качества из-за сдерживания восстановления Ti4+; это повлияло на изменение εr и τf за счет изменения валентности его связи B-сайта в системе Ca-Li-Nd-Ti. Это имело значение для Guo et al. [10] обнаружили, что замена Ti4+ на Cr3+ сдерживала восстановление Ti4+ до Ti3+ в керамике Ba6−3xNd8+2xTi18O54, сохраняя при этом ее высокие диэлектрические проницаемости. На сегодняшний день проведено небольшое количество исследований системы Na0,5Sm0,5TiO3 с целью улучшения ее основного процесса синтеза и настройки ее τf. Но не уделялось внимания борьбе с восстановлением Ti4+ до Ti3+ в керамике NST. В этом исследовании керамика Na0,5Sm0,5TiO3 + x моль Cr2O3 (x = 0, 0,25 %, 0,5 %, 0,75 %, 1 %, 1,25 % и 1,5 %) была синтезирована с помощью одного синтетического процесса с целью повышения добротности. и поддерживать высокую диэлектрическую проницаемость. Тем временем влияние ионов Cr3+ на кристаллическую структуру, микроструктуру и микроволновые диэлектрические характеристики Na0,5Sm0,5TiO3 было систематически исследовано с использованием технологий XRD, SEM и XPS.
………………
4. Выводы
Керамика Na0,5Sm0,5TiO3 + x моль Cr2O3 традиционно синтезировалась одним синтетическим процессом. Тем временем систематически исследовалось влияние ионов Cr3+ на микроструктуру и микроволновые диэлектрические характеристики Na0,5Sm0,5TiO3. Все образцы были идентифицированы как структура орторомбического перовскита с пространственной группой. Как рентгенограмма, так и результаты ее уточнения показали, что Cr3+ внедрился в решетку в узлах Ti, что привело к увеличению объема ячейки. Микроструктуру и уплотнение можно улучшить, добавив соответствующее количество присадок Cr2O3 (0,25%≤ x≤1%). Величина εr немного увеличивалась при x≤0,25%, но позже уменьшалась при дальнейшем добавлении Cr2O3, что показало аналогичную тенденцию к изменению диэлектрической поляризуемости. Значение τf было значительно снижено со 199,3 м.д./°C до 160,8 м.д./°C из-за увеличения валентности связи B-сайта. Примечательно, что имело место значительное увеличение Q×f с 8993 ГГц при x = 0 до 11854 ГГц при x = 1%, что в основном связано с ограничением восстановления Ti4+ до Ti3+. Керамика Na1/2Sm1/2TiO3, спеченная при 1450°C в течение 2 ч, при добавлении 1% молярных присадок Cr2O3 продемонстрировала микроволновые диэлектрические свойства εr=96, Q×f=11854 ГГц и τf=171,2 ppm/°C.