В настоящей работе с помощью традиционного твердотельного реакционного метода была приготовлена новая серия водонерастворимых сверхнизкотемпературных микроволновых диэлектриков (Na, Ag)2MoO4. В среде (NaxAg2-x)MoO4 (0 ≤ x ≤ 2) в полном интервале составов образовался твердый раствор со структурой шпинели. При увеличении x от 0 до 2,0 объем клетки линейно уменьшался с 9,32 Å до 9,10 Å. Поведение при спекании описывалось с использованием так называемого эффекта «изгиба», а уплотнение достигалось при температуре ниже 420 oC для 0,5 ≤ x ≤ 1,2 с размером зерна от 1 до 5 мкм. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства были получены для керамики (Na1.2Ag0.8)MoO4, спеченной при 410 oC, с диэлектрической проницаемостью ~ 8,1, СВЧ-добротностью ~ 44800 ГГц и температурным коэффициентом резонансной частоты ~ − 82 ppm/oC на 13,9 ГГц. . Серебро в составе твердого раствора ингибирует гидролиз керамики, а также снижает температуру ее спекания. По сравнению с температурой спекания традиционной микроволновой диэлектрической керамики (Al2O3, > 1400 oC) и обычной низкотемпературной керамики совместного обжига (< 960 oC), эта система сэкономит много энергии во время обработки и ускорит разработку устойчивых электронных материалов и устройств.
Введение
Микроволновая диэлектрическая керамика играет важную роль в современных устройствах связи, при этом в исследованиях преобладает потребность в i), материалах с низкими потерями (высокое значение качества, Qf) и низкой диэлектрической проницаемости (εr < 5), ii), керамике с большим εr (>150) ; iii) материалы со сверхвысокой добротностью (> 100 000 ГГц), iv), более дешевые материалы, изготовленные из устойчивых оксидных ресурсов, и v), керамика с низкой температурой спекания, химически совместимая с недорогими металлическими электродами.1-5 Чтобы удовлетворить требования миниатюризации, интеграция и надежность, низкотемпературная технология совместного обжига керамики (LTCC) играет важную роль в производстве современных микроволновых устройств. Технология LTCC определяется как совместное сжигание диэлектрического и внутреннего слоев электрода.3,6 Для технологии LTCC требуется микроволновая диэлектрическая керамика с более низкой температурой спекания, чем температура плавления металлического электрода, например, 961 oC для серебра и 660 oC для алюминия, наряду с химическая совместимость. Большинство традиционных микроволновых диэлектрических керамических материалов имеют температуру спекания > 961 oC и, следовательно, требуют вспомогательных средств для спекания, таких как стекла и оксиды с низкой температурой плавления, для снижения температуры обработки, но это обычно связано с ухудшением Qf. 7-9 В последние годы большое внимание привлекла так называемая сверхнизкотемпературная технология совместного обжига керамики (ULTCC). В ULTCC микроволновая диэлектрическая керамика может быть уплотнена без спекания, поскольку она изготовлена из оксидов с низкой температурой плавления. Системы с высоким содержанием лития и ванадия, такие как BaTe4O9, спеченный при 550 oC с εr ~ 17,5, значением Qf ~ 54 700 ГГц и температурным коэффициентом частоты (TCF) ~ −90 ppm/oC,10 Bi2Mo2O9, спеченный при 620 oC с εr ~ 38, значение Qf ~ 12 500 ГГц и TCF ~ + 31 ppm/oC,11 (Li, Bi)(Mo, V)O4 с εr > 75, значение Qf > 8 000 ГГц.12 Такие низкие температуры спекания позволяют использовать Al в многослойном методе изготовления с совместным обжигом. В нашей предыдущей работе сообщалось о прототипе многослойного конденсатора с пятью активными слоями, спеченными при 640 oC с использованием Bi2Mo2O9 в качестве диэлектрика и Al в качестве электродного слоя. точка, ~ 795oC. Однако MoO3 является водорастворимым, и микроволновая диэлектрическая керамика на основе молибдата может страдать от разрушения поверхности из-за реакции с атмосферной влагой. Примеры водорастворимой молибдатной керамики включают Li2O-MoO3, Na2O-MoO3, K2O-MoO3 и т. д.16–18 Впервые Li2MoO4 был описан16 как микроволновая диэлектрическая керамика с εr ~ 5,5, значением Qf ~ 46 000 ГГц, TCF ~ −160 ppm/oC и низкой температурой спекания ~ 540oC. Впоследствии Кахари и др. [19] сообщили, что плотную керамику можно получить путем увлажнения порошков Li2MoO4 при 120 oC и давлении 130 МПа за счет перекристаллизации при испарении воды, что можно представить как гидротермальный метод, опосредованный давлением. Li2MoO4 также может быть использован для изготовления плотной композитной керамики, такой как Li2MoO4-TiO2, Li2MoO4-BaTiO3, а также органо-неорганических композитов при температуре < 150 oC.20-22 Очевидно, что водорастворимые микроволновые диэлектрические материалы могут играть важную роль в для нового низкотемпературного производства электронных материалов, но для приложений с высоким Qf, поверхности которых подвергаются воздействию окружающей среды, растворимость в воде неблагоприятна для достижения увеличенного срока службы. В предыдущей работе Bi2O3, Ag2O и ZnO эффективно подавляли гигроскопичность молибдатов, таких как Bi2Mo2O9, Ag2MoO4 и Li2Zn2Mo3O12 5,11,23. Нерастворимая в воде микроволновая диэлектрическая керамика имеет важное значение для промышленности, поскольку ее можно легко изготовить с использованием традиционного твердотельного реакционного метода. и с геометрией устройства, оптимизированной с помощью ленточной печати и трафаретной печати. В 2014 г. новый нерастворимый в воде NaAgMoO4 со структурой шпинели r ~ 7,9, Qf ~ 33 000 ГГц и TCF ~ -120 ppm/oC и спекался при 400 oC, что является самой низкой обычной температурой спекания, когда-либо зарегистрированной для ULTCC.14 Как правило, ULTCC происходят при низкой эвтектике. точечные оксиды. NaAgMoO4 представляет собой шпинель, структурированную с общей формулой A2BO4, в которой ионы кислорода образуют кубический плотноупакованный массив с 8 из 64 тетраэдров (Td) и 16 из 32 октаэдров (Oh), занятыми внутри структуры.24,25 Структура шпинели встречается повсеместно. , высокоадаптивные и многие материалы со структурой шпинели были широко изучены благодаря их магнитным,26 диэлектрическим27 и полупроводниковым свойствам.28 Помимо NaAgMoO4, Ag2MoO4 и Na2MoO4 также имеют структуру шпинели23,29,30. нерастворим по отношению к аналогам Li, Na и K. 31,32 Следовательно, составы в твердом растворе (Na,Ag)2MoO4 выглядят привлекательными, чтобы избежать реакции с окружающей влагой. Кроме того, изменение соотношения Na:Ag может приблизить TCF к нулю. Следовательно, этот твердый раствор считается идеальным для потенциального синтеза термостабильных композиций ULTCC, подходящих для применения в MW.
……………………
IV. Выводы
Таким образом, в керамике (NaxAg2-x)MoO4 (0 ≤ x ≤ 2), полученной методом твердофазной реакции, образовался твердый раствор со структурой шпинели. Объем клетки и длина связи Mo-O уменьшались с увеличением x. В диапазоне составов 0,5 ≤ x ≤ 1,2 керамика уплотнялась при температурах ниже 420 oC с микроволнами ɛr ~ 8, 30 000 < Qf < 44 800 ГГц и значениями между – 120 ≤ TCF ≤ – 82 ppm/oC. В сочетании с нашим предыдущим исследованием, иллюстрирующим химически совместимые с серебряными и алюминиевыми электродами, эти композиции могут сыграть важную роль в технологии ULTCC.