В последние годы появились быстрые разработки материалов для микроволнового диэлектрика из-за их широкого применения и революции в беспроводной связи. Однако многие коммерческие микроволновые материалы основаны на титанатах, ниобатах и танталатах, недостатки которых заключаются как в дороговизне сырья, так и в высоких температурах спекания. Это приводит к тому, что производственный процесс не является энергоэффективным. В этой статье мы разрабатываем тройную систему BaO-TiO2-GeO2, производную от бинарной системы BaO-TiO2, для получения низкотемпературной диэлектрической керамики с совместным обжигом в микроволновом диапазоне для высокочастотных применений. Керамика Ba2TiGe2O8 была приготовлена традиционным твердотельным способом. Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что Ba2TiGe2O8 принадлежит к орторомбической пространственной группе Cmm2. Керамика показала уплотнение 96,3% после спекания при 1060 °C. Они также показали относительную диэлектрическую проницаемость (εr) 12,7, добротность (Q×f) 9060 ГГц (на 10 ГГц), температурный коэффициент резонансной частоты (τf) –30 ppm/°C и коэффициент теплового сопротивления. расширение (КТР) 11,0 частей на миллион/°C. Кроме того, были исследованы спектры КР и ионная поляризуемость элементарных ячеек Ba2TiGe2O8.
Введение
Оксид бария-диоксид титана (BaO-TiO2) является одним из самых популярных диэлектрических материалов для промышленных применений. Этот материал обладает как высокой относительной диэлектрической проницаемостью (εr > 35) [1], так и низкими диэлектрическими потерями (tan δ < 2 × 10–3) [2]. Эти свойства подходят для приложений в микроволновых компонентах, таких как мобильные телефоны, Интернет вещей (IoT) и интеллектуальные транспортные системы (ITS) и т. д. [3–6]. Однако изготовление бинарной системы BaO-TiO2 требует высокой температуры спекания (> 1300 °C). Кроме того, BaO-TiO2 обладает большим температурным коэффициентом резонансной частоты (τf), что ограничивает его термическую стабильность, а также совместимость с материалами с низкой температурой плавления [7,8]. Например, для того, чтобы можно было использовать низкотемпературные керамические корпуса с совместным обжигом (LTCC), температура спекания диэлектрических материалов должна быть ниже температуры плавления электродов, таких как серебро (960 °C) или медь (1085 °C). ) [9–11]. В последнее время большое внимание привлекают германийсодержащие микроволновые диэлектрические керамики, такие как Bi2Ge3O9 [12], Li2ZnGe3O8 [13] и Li2AGeO4 (A = Zn, Mg) [14]. За счет введения Ge в этих материалах может быть достигнута более низкая температура спекания по сравнению с соединениями BaO-TiO2. Например, Li2AGeO4 (A = Zn, Mg) можно спекать при 1100 °С. Между тем, его диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне считаются подходящими для высокочастотных устройств из-за низкой относительной диэлектрической проницаемости (6,1–6,5) [14]. Соответственно, в этой статье мы расширяем двойную систему BaO-TiO2 до тройной системы BaO-TiO2-GeO2. С этой системой можно ожидать низкотемпературную микроволновую диэлектрическую керамику для высокочастотных применений. Исследован Ba2TiGe2O8, относящийся к группе BaO-TiO2-GeO2. Ba2TiGe2O8 имеет слоистую структуру, элементарные ячейки которой принадлежат пространственной группе Cmm2. При хороших значениях поляризуемости, пьезоэлектричества и пироэлектричества потенциальные применения Ba2TiGe2O8 могут включать сегнетоэлектрические устройства, генераторы второй гармоники и фемтосекундные лазеры [15–18]. О структуре Ba2TiGe2O8 сообщили Iijima et al. [19]. Однако связь между кристаллической структурой и диэлектрическими свойствами в микроволновом диапазоне не выяснена. Настоящая работа посвящена исследованию таких вопросов с использованием керамики Ba2TiGe2O8, изготовленной при различных температурах спекания. Кроме того, исследованы спектры комбинационного рассеяния, поведение при спекании, микроструктура и термические свойства керамики Ba2TiGe2O8.
…………
Выводы
В настоящей работе исследована новая микроволновая диэлектрическая керамика Ba2TiGe2O8. Кристаллическая структура керамики Ba2TiGe2O8 относится к орторомбической фазе пространственной группы Cmm2. Керамика Ba2TiGe2O8 имеет слоистую структуру, состоящую из тетраэдров [GeO4] и квадратных пирамид [TiO5], разделенных ионами Ba, находящимися в центре десятикоординатной позиции. Оптические фононные моды Ba2TiGe2O8 были очень четкими и резкими. Орторомбическая керамика Ba2TiGe2O8 демонстрирует четко определенные моды, и изменения мод колебаний были подробно изучены. Керамика, спеченная при 1060 °C, имела оптимальную относительную плотность 96,3 %, относительно низкую диэлектрическую проницаемость 12,7, низкие диэлектрические потери 1,1 × 10–3 (на частоте 10 ГГц), значение τf –30 ppm/°C и КТР 11,0 частей на миллион/°C. Также были исследованы спектры комбинационного рассеяния и ионная поляризуемость керамики Ba2TiGe2O8.