Новая микроволновая диэлектрическая керамика LiAl5-xZnxO8-0,5x была синтезирована по твердофазному реакционному пути. Фазовая эволюция LiAl5-xZnxO8-0,5x определялась рентгеноструктурным анализом. Результаты РФА показали, что составы фаз имели пространственную группу P4332 при 0 ≤ x ≤ 0,2 и структуру шпинели при 0,3 ≤ x ≤ 0,5. Диэлектрическая проницаемость (εr) твердых растворов этой серии уменьшалась с увеличением содержания легирующего цинка, что хорошо согласуется с соотношением Клаузиуса-Моссотти. Кислородная вакансия и пониженная степень порядка ухудшили добротность (Q × f) двух структур. Ухудшение добротности было дополнительно подтверждено импедансной спектроскопией. Температурный коэффициент резонансной частоты (τf ) уменьшался с увеличением x и коррелировал с объемом элементарной ячейки. Наконец, CaTiO3 был использован в качестве компенсационного материала для получения близкой к нулю τf керамики LiAl5O8.
1 ВВЕДЕНИЕ
Развитие систем беспроводной связи требует, чтобы электронные устройства и подложки имели высокочастотные приложения, возможности миниатюризации и свойства с низкими потерями.1–3 Диэлектрическая керамика с низким εr и высоким значением Q × f является важным материалом для резонаторов, фильтров и других ключевых элементов. компонентов от наземных до спутниковых систем связи, включая Интернет вещей (IoT), RFID, DBS TV, GPS и т. д. Таким образом, эти материалы привлекают внимание в академических и коммерческих целях.4–6 Различные микроволновые диэлектрические керамические системы, такие как Bi2O3–TiO2–V2O5, (Sr, Ca)TiO3–LnAlO3 (Ln = La, Nd, Sm) и BaO–Ln2O3–TiO2, 7,8 с высоким значением Q × f привлекли значительное внимание исследователей. Керамические системы Li2O–Al2O3, включая Li5AlO4, LiAlO2 и LiAl5O8, редко изучались для применения в качестве диэлектрических материалов для СВЧ. В последние несколько лет мы исследовали керамику LiAlO2 для применения в качестве микроволнового диэлектрика.9 С другой стороны, ранее не сообщалось об использовании материала LiAl5O8 в качестве микроволновой диэлектрической керамики. Соединение LiAl5O8 с пространственной группой P4332 представляет собой кубическую упорядоченную структуру из четырех формульных единиц в элементарной ячейке Al8 IV(Li4Al12) VIO32, а в октаэдрических (о) позициях существует упорядочение 1:3 Li: Al.10 Предыдущее твердое тело Анализ спектра ядерного магнитного резонанса с вращением под магическим углом на соединении LiAl5O8 показал, что замещение ионов Zn2+ и Mg2+ не влияет на распределение в октаэдрических позициях всех ионов Li+.  Однако ионы Al3+ в октаэдрических (o) и тетраэдрических (t) позициях подвергаются воздействию и перераспределению. Инфракрасный спектральный анализ керамики LiAl5O8, легированной Zn2+, показал, что повышенное содержание замещения Zn2+ может привести к более неупорядоченной форме.11 Замещение ионов Al3+ ионами Zn2+ и Mg2+ также вызывает фазовый переход соединения LiAl5O8. В этой работе материалы LiAl5-xZnxO8-0,5x были спечены традиционным твердотельным методом. Затем было исследовано влияние замещения позиций ионов Al3+ ионами Zn2+ на свойства соединения LiAl5O8. Исследована взаимосвязь между кристаллической структурой, фазовым переходом и микроволновыми диэлектрическими свойствами керамики LiAl5-xZnxO8-0,5x.
…………………
ВЫВОДЫ
Исследована серия СВЧ диэлектрической керамики LiAl5-xZnxO8-0,5x (0 ≤ x ≤ 0,5) с хорошей кристалличностью однородных кристаллических зерен и высокой относительной плотностью. Фазовый переход твердых растворов этой серии произошел примерно при x = 0,3. Чистая фаза с кубической структурой (P4332) образовывалась при увеличении x от 0 до 0,2, а шпинельная структура (Fd-3m) – при увеличении x от 0,3 до 0,5. Параметр решетки (а) монотонно увеличивался с 7,908 до 7,968 Å с увеличением x от 0 до 0,5 посредством уточнения Ритвельда. Наблюдаемое εr, очень близкое к рассчитанному εc, было получено с помощью соотношения Клаузиуса-Моссотти, и оно монотонно уменьшалось с 8,43 до 8,04 при увеличении x от 0 до 0,5. Для образцов структуры пространственной группы P4332 Q×f упала с 49 300 до 36 300 ГГц. Для структуры шпинели Q × f упала с 51 700 до 46 500 ГГц. Дефект иона кислорода и пониженная степень порядка вызвали это уменьшение Q × f. τf уменьшалась от –38 ppm/°C до –72 ppm/°C в отрицательном направлении при увеличении x от 0 до 0,5. Более того, τf коррелировал с объемом элементарной ячейки LiAl5-xZnxO8 -0,5x для структур пространственной группы P4332 и Fd-3m. Материал CaTiO3 с положительным значением τf был использован для компенсации материала LiAl5O8 с отрицательным значением τf для получения термостабильного материала для практических применений. Керамика (1 − y) LiAl5O8 + y CaTiO3 показала близкое к нулю значение τf при y = 0,06 и диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне εr = 9,33, Q × f = 21 300 ГГц и τf = –5 миллионных долей/°C.