Трехслойная керамическая архитектура с совместным обжигом, представленная как MgTiO3/TiO2/MgTiO3, была разработана для реализации термостабильных и сверхвысокодобротных микроволновых диэлектриков в типичной системе MgTiO3-TiO2. Исследовано влияние содержания TiO2 на микроволновые диэлектрические свойства трехслойной керамики совместного обжига. Благодаря конструкции трехслойной архитектуры с совместным обжигом химические реакции между MgTiO3 и TiO2 были ограничены в узкой области границ раздела MgTiO3/TiO2 (шириной ~15 мкм), что может быть полезно для оптимизации микроволновых диэлектрических свойств. Превосходные характеристики εr ~ 18,38, значения Q×f ~ 169 900 ГГц и τf ~ −1 ppm/C были получены для керамических архитектур MgTiO3/TiO2/MgTiO3 с 1,63 об.% TiO2. Текущая работа может послужить новой стратегией разработки высокоэффективных диэлектрических резонаторов и многослойных материалов для приложений беспроводной связи 5G.
Введение
Микроволновая диэлектрическая керамика (MWDC) считается важнейшим компонентом современных систем беспроводной связи и промышленности с широким применением в фильтрах, резонаторах, подложках и т. д. [1-4]. Чтобы не отставать от технического прогресса, особенно для перехода от связи 4G к 5G, MWDC должны иметь надлежащую диэлектрическую проницаемость (εr), сверхвысокое значение Q×f (100 000 ГГц; Q = 1/tan) для хорошая частотная избирательность и близкий к нулю температурный коэффициент резонансной частоты (τf), обеспечивающие хорошую температурную стабильность [5-7]. Поскольку «диэлектрический резонатор» (ДР) был впервые предсказан в 1939 г. [1], в настоящее время повсеместно распространены МВД с разнообразными характеристиками, и некоторые из них постепенно реализовали свое коммерческое применение в качестве ДР, например Ba(Mg,Zn)TaO3. , CaTiO3-NdAlO3, (Zr,Sn)TiO4 и BaO-Nd2O3-TiO2 [2,4,8,9]. Однако он оставляет позади множество аналогов с большим значением τf одновременно, что делает их далеко не применимыми [2,8]. Для разработки термостабильных MWDC на основе современных материалов было предпринято много усилий. Традиционно идея настройки τf заключается во введении инородных материалов (известных как температурные компенсаторы) с противоположным τf традиционным смешанным твердотельным путем, таким как твердые растворы CaTiO3-NdAlO3 и композиты MgTiO3-CaTiO3 [2,3,10]. Правда, еще не все введенные температурные компенсаторы могут хорошо сосуществовать с матричными материалами. Лежащие в основе химические реакции между ними могут привести к образованию некоторых новых или вторичных фаз, которые будут влиять на диэлектрические свойства микроволнового излучения, в частности, заставляя τf отличаться от ожидаемого. Например, TiO2 хорошо известен своей особой микроволновой диэлектрической характеристикой с высоким значением εr ~ 105 и большим положительным значением τf ~ +450 ppm/°C. Он может служить идеальным температурным компенсатором для многих МВДК (в том числе ZnNb2O6), имеющих высокое значение Q×f и отрицательное τf [11-13]. Однако в типичной системе (1-x)ZnNb2O6-xTiO2 химические реакции между концевыми элементами, по-видимому, протекают легко, учитывая сходство кристаллической структуры между ними. Это приводит к тому, что материалы претерпевают несколько фазовых зон наряду с увеличением содержания TiO2. В результате для получения близкого к нулю τf требуется относительно большое количество TiO2 (x = 0,58), а значение Q×f составляет всего 6000 ГГц [12]. Поскольку была предложена возможность настройки τf путем укладки двух типов цилиндрических материалов с противоположными τf, были предприняты попытки послойной инженерии для разработки термостабильных МВДК [14]. Однако, как сообщалось, большинство из них используют органические клеи для соединения каждого слоя вместе, такие как многослойная керамика Ba5Nb4O15/5ZnO-2Nb2O5, MgTiO3/CaTiO3 и ZnNb2O6/SrTiO3 [14-16]. Поскольку органические клеи будут стареть во время работы, это вызовет структурные и функциональные сбои в устройствах. Вероятно, из-за того, что непросто обеспечить хорошую совместимость при спекании различных керамических слоев, сообщалось о нескольких работах по многослойным архитектурам с совместным обжигом (цель-керамические материалы) в MWDC. Специально для материалов, которые имеют противоположные τf и не могут хорошо сосуществовать, такие многослойные керамические конструкции с совместным обжигом могут предоставить широкие возможности для реализации хорошей температурной стабильности путем их надлежащего укладки и совместного обжига.

Между тем, схема укладки играет очень важную роль в микроволновых диэлектрических характеристиках многослойной керамики с совместным обжигом [15,17]. В нашей предыдущей работе было показано, что Zn1.01Nb2O6/TiO2/Zn1.01Nb2O6 является оптимальной схемой укладки среди доступных многослойных керамических архитектур совместного обжига, которые включают Zn1.01Nb2O6/TiO2 и TiO2/Zn1.01Nb2O6/TiO2 [17]. При смешивании с небольшим количеством TiO2 (1,84 об.%) в сплаве Zn1,01Nb2O6/TiO2/Zn1, подвергнутом совместному обжигу, могут быть достигнуты сверхвысокочастотные диэлектрические характеристики εr ~ 26,8, Q×f ~ 99 500 ГГц и почти нулевой τf. Трехслойная керамика 01Nb2O6. Как известно, MgTiO3 имеет высокое значение Q×f ~ 160 000 ГГц, сопровождающееся εr ~ 17 и τf ~ −50 ppm/C [9], и теоретически TiO2 также может быть идеальным температурным компенсатором для MgTiO3. И тем не менее, существует несколько соединений, таких как Mg2TiO4 и MgTi2O5, существующих в бинарной системе MgO-TiO2, поэтому не так просто отрегулировать τf MgTiO3 с помощью добавок TiO2 традиционным смешанным способом в твердом состоянии [2,9]. Благодаря конструкции трехслойной керамической архитектуры с совместным обжигом в системе Zn1.01Nb2O6-TiO2, в типичной системе MgTiO3-TiO2 со стеком был достигнут ультранизкий уровень потерь (Q×f ~ 169 900 ГГц) и термостабильный микроволновый диэлектрик. схема MgTiO3/TiO2/MgTiO3. Было изучено влияние содержания TiO2 на микроволновые диэлектрические свойства керамических конструкций с совместным обжигом.
……………
4. Выводы
Сверхвысокодобротный и термостабильный микроволновый диэлектрик был разработан в типичной системе MgTiO3-TiO2 с помощью трехслойной керамической архитектуры с совместным обжигом, представленной как MgTiO3/TiO2/MgTiO3. При такой многослойной керамической архитектуре эффекты химических реакций между MgTiO3 и TiO2 могут быть эффективно ограничены узкой областью (шириной ~15 мкм) в границах раздела MgTiO3/TiO2. Между тем, эта промежуточная область может действовать как «клей» для хорошего связывания каждого слоя. Превосходные характеристики εr ~ 18,38, значения Q×f ~ 169 900 ГГц и τf ~ −1 ppm/C были достигнуты для керамических архитектур MgTiO3/TiO2/MgTiO3 с 1,63 об.% TiO2. Текущие результаты могут помочь в разработке новых стратегий для разработки высокопроизводительных диэлектрических резонаторов и многослойных материалов для приложений беспроводной связи 5G.