Методом твердофазной реакции были получены два диэлектрических материала с низкой диэлектрической проницаемостью Li2AGeO4 (A = Zn, Mg). Рентгеноструктурный анализ и уточнение Ритвельда показали, что обе керамики кристаллизуются в орторомбической структуре оливина с пространственной группой Pmn21. Получена плотная керамика с высокой относительной плотностью и однородной микроструктурой. Li2ZnGeO4, уплотненный при 1200 °С, обладал относительной диэлектрической проницаемостью εr = 6,5, добротностью Q×f = 35400 ГГц и температурным коэффициентом резонансной частоты. Li2MgGeO4 показал εr = 6,1, Q×f = 28 500 ГГц и τf = –74,7 ppm/°C при спекании при 1220 °C. Кроме того, большие отрицательные значения τf керамики Li2AGeO4 (A = Zn, Mg) были успешно компенсированы формированием композиционной керамики с CaTiO3, а близкие к нулю значения τf +2,9 ppm/°C и +5,8 ppm/°C были достигнуты в 0,92Li2ZnGeO4-0,08CaTiO3 и 0,90Li2MgGeO4-0,10CaTiO3 соответственно.
1. Введение
Быстрое развитие беспроводной связи до миллиметровых волн, таких как электронная транспортная касса (ETC), сверхскоростная локальная сеть, автомобильная система предотвращения столкновений на интеллектуальной транспортной системе (ITS), в последние годы вызвало огромное развитие в микроволновых диэлектриках. В приложениях миллиметрового диапазона большое количество информации может быть передано с высокой скоростью [1–4]. Таким образом, требуются три основных показателя качества: низкая диэлектрическая проницаемость (εr), высокая добротность (низкие диэлектрические потери, Q = 1/tanδ) и близкий к нулю температурный коэффициент резонансной частоты (τf) [5,6]. Важно отметить, что время задержки сигнала пропорционально квадратному корню из диэлектрической проницаемости по формуле td = εl c r e (где td, le и c представляют собой время задержки сигнала, расстояние передачи и скорость света) [7]. Таким образом, для высокоскоростной передачи желательно низкое значение εr. Кроме того, низкая диэлектрическая проницаемость также сводит к минимуму перекрестную связь между подложками и проводниками и уменьшает задержку при приеме на большие расстояния. Поэтому разработка микроволновых диэлектрических материалов с низкой диэлектрической проницаемостью для удовлетворения требований высокоскоростной передачи становится актуальной проблемой. За последние несколько десятилетий для приложений миллиметрового диапазона были разработаны многочисленные материалы с низким εr, такие как Al2O3, шпинель MAl2O4 и M2TiO4 (M = Mg, Zn) и форстерит M2SiO4 (M = Mg, Zn) [8–8]. 14]. Например, керамика Mg2SiO4, спеченная при 1550 °C, обладала превосходными СВЧ-диэлектрическими характеристиками с εr = 7,50, Q×f = 114 730 ГГц и τf = –59 ppm/°C [13]. Структура оливина имеет общую формулу A2BO4, в которой B4+ находится в центре изолированной тетраэдрической геометрии. По сравнению со структурой шпинели AB2O4, где ионы A, обычно двухвалентные, координируются четырьмя ионами кислорода, образуя тетраэдрический AO4, а ионы B, обычно трехвалентный, координируются шестью ионами кислорода, образуя октаэдрический BO6.
Замена двух трехвалентных ионов B в шпинели AB2O4 одним двухвалентным ионом A и одним четырехвалентным ионом приведет к обратной структуре шпинели, такой как Mg[MgTi]O4 [15,16,17]. В последнее время большое внимание уделяется соединениям оливина M2GeO4 (M = Mg, Zn) из-за их низкой диэлектрической проницаемости и высокой добротности [18–20]. Например, орторомбическая керамика Mg2GeO4, спеченная при 1450 °С, имела низкую диэлектрическую проницаемость εr ∼ 5,48, добротность Q×f ∼ 11037 ГГц и температурный коэффициент резонансной частоты τf ∼ –27,61 м.д./°C [19]. Тем не менее, эти СВЧ-диэлектрические керамики с низкой диэлектрической проницаемостью, как правило, имеют высокие температуры спекания и большие отрицательные значения τf, что нежелательно для практических приложений. В последние годы сообщалось, что литийсодержащие оксиды используются в качестве низкотемпературной керамики, т.е. Li4Ti5O12 [21], Li2ZnTi3O8 [22] и Li2ZnGe3O8 [23]. Поэтому можно снизить температуру спекания M2GeO4 за счет введения в структуру оливина ионов Li+. Поэтому в исходный M2GeO4 мы ввели 2 иона Li+ вместо 1 катиона M для синтеза двух оливиновых керамик Li2MGeO4 (M = Zn, Mg) со структурой. И впервые были охарактеризованы их микроволновые диэлектрические свойства. Кроме того, CaTiO3 (τf ∼ +800 ppm/°C) использовали для формирования композиционной керамики с Li2MGeO4 для получения термостойких диэлектрических материалов.
………………
4. Выводы
Керамика Li2AGeO4 (A = Zn, Mg) с орторомбической структурой оливина была сформирована методом твердофазной реакции. Температура уплотняющего спекания керамики Li2ZnGeO4 составляет 1200 °C с относительной плотностью 98,5%, и при той же температуре достигаются наилучшие диэлектрические характеристики в микроволновом диапазоне с εr ∼ 6,5, Q×f ∼ 35 400 ГГц и τf ∼ –60,6 ppm/°. С. Керамика Li2MgGeO4, спеченная при 1220 °C в течение 6 часов, показала высокую относительную плотность 97,6% и отличные диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне с εr ∼ 6,1, Q×f ∼ 28 500 ГГц и τf ∼ –74,7 миллионных долей/°C. Кроме того, большие отрицательные значения τf керамики Li2AGeO4 (A = Zn, Mg) могут быть компенсированы формированием композитной керамики с CaTiO3.