Ca3MSi2O9 (M = Zr, Hf, Sn1xTix; x = 0e0,40) низкодиэлектрическая микроволновая диэлектрическая керамика со структурой куспидина была приготовлена традиционным твердотельным методом при 1325C1400C в течение 10 ч на воздухе. Параметры решетки Ca3MSi2O9 (CMS) линейно уменьшались при изменении M с Zr на Sn0,85Ti0,15 и образовывалась одна фаза. Для M = Sn1xTix (x = 0,20e0,40) появляется вторая фаза CaTiO3 (CT). Относительная диэлектрическая проницаемость (εr), добротность (Qf) и температурный коэффициент резонансной частоты (tf) были тесно связаны с ионной поляризуемостью, относительной ковалентностью положения M, объемом элементарной ячейки и второй фазой CaTiO3. В результате наибольшее значение Q f 72840 ГГц было получено для M = Sn0,95Ti0,05, а близкое к нулю значение tf было достигнуто для M = Sn0,7Ti0,30. Микроволновые диэлектрические свойства которых следующие: εr = 11,07, Q f = 42400 ГГц и tf = 5,1 ppm/C.
1. Введение
Высокоэффективная СВЧ-диэлектрическая керамика с низкой диэлектрической проницаемостью привлекла значительное внимание в связи с расширением диапазонов рабочих частот беспроводной СВЧ-связи. СВЧ-диэлектрическая керамика с низкой диэлектрической проницаемостью (εr < 15) может использоваться в качестве высокочастотных подложек, диэлектрических антенн, высокоточных конденсаторов и компонентов миллиметрового диапазона, таких как резонаторы и фильтры [1]. Этот вид керамики является основой микроволновой беспроводной связи. Для практического применения такая микроволновая диэлектрическая керамика должна иметь низкую диэлектрическую проницаемость (εr) для уменьшения задержки передачи сигнала, высокую добротность (Qf) для частотной избирательности и близкий к нулю температурный коэффициент резонансной частоты (tf) для стабильности. передаваемой частоты [2,3]. Силикаты обладают некоторыми интересными характеристиками, такими как сегнетоэлектричество в Bi2SiO5 и BaZnSiO4 [1,4], необычный коэффициент теплового расширения в Ba1-xSrxZn2Si2O7 [5] и микроволновые диэлектрические свойства в Sm2SiO5 [6]. Эти интересные явления связаны со сложной кристаллической структурой силикатов, состоящей из тетраэдров [SiO4] и некоторых других полиэдров. Обычно силикаты имеют низкое значение диэлектрической проницаемости за счет связи SieO, которая содержит 45 % ионной связи и 55 % ковалентной связи [6]. Были исследованы многие виды силикатов, такие как форстрейт (Mg2SiO4), виллемит (Zn2SiO4) и куспидин (Ca3MSi2O9, M = Zr и Sn) [7e9]. Все они имеют низкое значение диэлектрической проницаемости и высокую добротность, что делает их хорошим выбором для устройств миллиметрового диапазона. Однако их значение tf обычно имеет отрицательное значение. Кроме того, Mg2SiO4 и Zn2SiO4 сложно получить в виде единой фазы, и при формовании требуется холодная изостатическая обработка [10–12]. Керамика Ca3ZrSi2O9 каспидинового типа обладает стабильной кристаллической структурой, а твердый раствор может быть получен путем замещения ионов Zr4+ для улучшения микроволновых диэлектрических свойств [9].

Акинори Кан и др. В работе [9] обнаружено, что твердые растворы Ca3(Zr1-xSnx)Si2O9 типа куспидина, составляющие группу [Si2O7], октаэдр [Zr1-xSnxO6] и полиэдр [CaO6/7], проявляют превосходные микроволновые диэлектрические свойства с низкой диэлектрической проницаемостью. . При замене Zr4+ на Sn4+ значение εr немного уменьшилось, значение Q f показало тенденцию к увеличению, а значение tf приблизилось к нулю. Эти результаты могут быть тесно связаны с ионной поляризуемостью и относительной ковалентностью в М-узле в структуре решетки Ca3MSi2O9. Чтобы выяснить влияние ионов М-позиции на микроволновые диэлектрические свойства и установить взаимосвязь между параметрами решетки и микроволновыми диэлектрическими свойствами в твердых растворах типа куспидина Ca3MSi2O9, необходимо выбрать несколько ионов, подобных Zr4+ и Sn4+, которые займут М-позицию. Замена Ti4+ на Sn4+ [13] и Zr4+ [14] была принята для образования твердого раствора в Zn2Ti1-xSnxO4 и Li2Zn(Ti1-xZrx)3O8 микроволновых диэлектрических керамиках соответственно. Кроме того, Hf4+ продемонстрировал сходные характеристики с Zr4+ в диэлектрической керамике ASiO4 (A = Zr, Hf) для микроволнового излучения [15, 16]. Таким образом, ионы Zr4+, Sn4+, Ti4+ и Hf4+ с одинаковым валентным состоянием и близкими ионными радиусами [17] могли занимать М-позицию, формируя в Ca3MSi2O9 структуру решетки куспидинового типа со структурной гибкостью октаэдров [MO6]. В данной работе были приготовлены керамика Ca3MSi2O9 (M = Zr, Hf, Sn) и твердые растворы Ca3Sn1xTixSi2O9 (x = 0,05e0,40). Были систематически исследованы взаимосвязи между параметрами решетки, фазовым составом и микроволновыми диэлектрическими свойствами.
……………………
4. Выводы
Ca3MSi2O9 (M = Zr, Hf, Sn1xTix; x = 0e0,40) микроволновая диэлектрическая керамика с низкой относительной диэлектрической проницаемостью была приготовлена с помощью твердофазного реакционного процесса. Единственная фаза с моноклинной структурой куспидина и пространственной группой P21/c получена для Ca3MSi2O9 (M = Zr, Hf, Sn1xTix; x = 0e0,15). Однако для M = Sn1xTix (x = 0,20e0,40) второй фазой является CaTiO3. Для однофазной области тенденция изменения значения εr аналогична тенденции изменения ионной поляризуемости, которая сначала уменьшается, а затем линейно возрастает. Величина Q f зависит от относительной ковалентности катионов M-позиций, и оба они достигают максимального значения при M = Sn0,95Ti0,05. Изменение значения tf противоположно объему элементарной ячейки. В многофазной области экспериментальные микроволновые диэлектрические свойства согласуются с расчетными результатами, удовлетворяя правилу смешивания. Наибольшее значение Q f 72840 ГГц получено для M = Sn0,85Ti0,15, а близкое к нулю значение tf достигается для M = Sn0,70Ti0,30, обладающего микроволновыми диэлектрическими свойствами εr = 11,07, Q f = 42400. ГГц, а tf = 5,1 ppm/C.