В данной работе микроволновая диэлектрическая керамика Mg2-xCuxSiO4(x = 0–0,40) была приготовлена методом твердофазной реакции. По сравнению с образцом Mg2SiO4 образцы Cu-замещенного Mg можно было спекать при более низкой температуре. В керамике Mg2-xCuxSiO4 присутствуют композитные фазы Mg2SiO4 и небольшое количество MgSiO3. Ион Cu2+ представляет собой твердый раствор с фазой Mg2SiO4 и преимущественно занимает позицию Mg(1). Искажение октаэдра MgO6 было модифицировано ионами Cu2+, что привело к положительному изменению значений температурного коэффициента резонансной частоты (τf). Отличные микроволновые диэлектрические свойства εr = 6,35, высокая Qf ~ 188 500 ГГц и почти нулевая τf = -2,0 ppm/°C были достигнуты при x = 0,08 при спекании при 1250 °C в течение 4 часов. Таким образом, изготовленная керамика рассматривалась как возможные кандидаты для применения в устройствах миллиметрового диапазона.
1. Введение
В последнее время диэлектрические материалы привлекли значительное внимание благодаря их практическому применению в микроволновой связи. В практических приложениях важными характеристиками, требуемыми для материала, используемого в микроволновой связи, являются следующие. а) диэлектрическая проницаемость должна быть низкой, чтобы сократить время задержки сигнала, а Qf должна быть как можно выше; и (б) микроволновая керамика должна одновременно требовать близкого к нулю температурного коэффициента резонансной частоты (τf) и столь же низкой температуры спекания. Керамика Mg2SiO4 широко исследовалась из-за ее низкой диэлектрической проницаемости (εr = 6–7) и высокого значения Qf (∼240 000 ГГц). Однако чистая керамика Mg2SiO4 обладает в основном отрицательными температурными коэффициентами резонансной частоты (τf = −67 ppm/°C) и требует высокой температуры спекания (1350–1450 °C), что напрямую ограничивает ее практическое использование [1–3]. Для доведения значения τf до нуля добавляли TiO2 (τf ∼ +450 ppm/°C) и CaTiO3 (τf ∼ +850 ppm/°C) [3–5]. Кроме того, было проведено несколько методов снижения температуры спекания, включая добавление легкоплавких оксидов или стекла [6–9]. Однако эти добавки могут привести к ухудшению СВЧ-диэлектрических свойств или значительно увеличить возможность химического взаимодействия с металлическим электродом из-за появления неожиданных вторичных фаз. В общем, диэлектрические потери и температурная стабильность этой керамики тесно связаны со структурой кристалла. Катионное упорядочение и наклон кислородных октаэдров являются основными структурными особенностями, влияющими на микроволновые диэлектрические свойства этих материалов [10]. Ранее сообщалось, что τf будет зависеть от средней октаэдрической дисторсии в керамике на основе Mg [11]. Кристалл Mg2SiO4, представляющий собой орторомбическую структуру, принадлежащую пространственной группе Pbnm, состоит из изолированных тетраэдров SiO4, окруженных октаэдрами MgO6, занимающими позиции двух различных симметрий (Mg(1)O6 и Mg(2)O6). Позиция Mg(1)O6 немного меньше и уплощена вдоль оси третьего порядка. Позиция Mg(2)O6 несколько крупнее и значительно более искажена. Учитывая, что Si4+ почти всегда стехиометричен, в двух октаэдрических позициях происходят изменения состава. Таким образом, можно эффективно регулировать значения τf, изменяя среднюю октаэдрическую дисторсию MgO6. Замена катиона с меньшим ионным радиусом на ион с большим ионным радиусом улучшила микроволновые диэлектрические свойства. Для улучшения микроволновых диэлектрических свойств керамики Mg2SiO4 путем различных ионных замещений, таких как двухвалентные катионы Ni2+, Mn2+, ионы Ca2+ и Zn2+ и четырехвалентные ионы Ti4+ замещают ионы Mg2+ и Si4+ соответственно [1,12–15]. Однако эти материалы требуют высокой температуры уплотнения. CuO широко используется в качестве вспомогательного средства для спекания микроволновой диэлектрической керамики из-за его низкой температуры плавления (1086 ° C). Недавно в керамику BaSm2Ti4O12 и Mg(Zr0,05Ti0,95)O3 в качестве добавки для спекания был добавлен CuO для снижения температуры спекания [16,17]. Кроме того, одинаковый ионный радиус между ионами Cu2+ и позициями Mg изменяет среднее октаэдрическое искажение MgO6. В настоящей работе, учитывая низкую температуру плавления (∼1026 °C) CuO и близкие ионные радиусы Cu2+ (0,73 Å) и Mg2+ (0,72 Å), исследование более низкой температуры спекания и возможного улучшения микроволновых диэлектрических свойств в керамике Mg2SiO4 заменой Mg на Cu представляет значительный интерес. Керамика Mg2-xCuxSiO4 (x = 0–0,40) была приготовлена методом твердотельной керамики. XRD, уточнение XRD, SEM, спектры комбинационного рассеяния и микроволновые диэлектрические свойства были выполнены для оценки корреляции между составами, структурой и свойствами.
…………………
4. Выводы
В настоящей работе керамика Mg2-xCuxSiO4 (x = 0–0,40) была приготовлена методом твердофазной реакции. Замещение ионов Mg2+ ионами Cu2+ оказывает очевидное влияние на структуру и микроволновые диэлектрические свойства. Ионы Cu2+ равномерно распределяются по площади. Ионы Cu2+ преимущественно занимают позицию Mg(1), что подтверждается расчетами из первых принципов и уточнением РФА. Кроме того, частичное замещение ионов Cu2+ на ионы Mg(1)2+ увеличивает объем ячейки, изменяет длину связи и искажение октаэдра MgO6 фазы Mg2–xCuxSiO4. Эти структурные изменения в Mg2-xCuxSiO4 влияют на диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне. Значения εr увеличиваются с Cu-замещенным Mg. Между тем, значения Qf сначала увеличиваются, а затем уменьшаются с Cu-замещенным Mg, а также с увеличением температуры спекания. Искажение октаэдра MgO6 было модифицировано ионами Cu2+, что привело к благоприятному изменению значений τf. Примечательно, что твердый раствор Mg1,92Cu0,08SiO4 демонстрирует значительные преимущества при низкой температуре спекания (1250 °C), высоком значении Qf (∼188 500 ГГц) и малых отрицательных значениях τf (∼−2,0 ppm/°C) по сравнению с чистым Mg2SiO4. керамический. Таким образом, керамика считается возможным кандидатом на применение в устройствах миллиметрового диапазона.