СВЧ-диэлектрическую керамику Ba1-xSrxZnSi3O8 (x = 0,2–1,0) синтезировали твердофазным методом при температуре от 1087 °С до 1150 °С в течение 3 ч. Все составы показали единую фазу для Ba1-xSrxZnSi3O8 при увеличении x от 0,2 до 1,0, а фазовый переход от моноклинной к триклинной структуре происходил между 0,8 и 1,0. Относительная диэлектрическая проницаемость керамики Ba1-xSrxZnSi3O8 уменьшилась с 6,57 до 6,12 при замещении ионов Ba2+ ионами Sr2+. Однако добротность сначала уменьшилась с 34 735 ГГц (x = 0,2) до 28 986 ГГц (x = 0,4), а затем монотонно увеличивалась. Изменение температурного коэффициента резонансной частоты имело противоположную, слабо изменяющуюся тенденцию по сравнению с добротностью. Новый однофазный SrZnSi3O8, который обладает хорошими микроволновыми диэлектрическими свойствами εr = 6,12, Q×f = 78,064 ГГц и τf = -33,2 ppm/°C, был впервые получен при температуре спекания 1150 °C.

Введение
С расширением диапазона рабочих частот микроволновой беспроводной связи, беспроводная связь находится на пороге своего пятого поколения. Высокая частота требуется для сверхскоростных локальных сетей, электронных систем взимания платы и систем предотвращения столкновений автомобилей на основе интеллектуальных транспортных систем [1,2]. Диэлектрическая керамика СВЧ 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 [3]. Таким образом, ожидается, что высокоэффективная микроволновая диэлектрическая керамика с низкой диэлектрической проницаемостью привлечет значительное внимание. Для беспроводной связи миллиметрового диапазона микроволновая диэлектрическая керамика должна иметь низкую диэлектрическую проницаемость (εr), чтобы уменьшить затухание при передаче и эффект перекрестной связи, высокий коэффициент качества (Q×f) для достижения превосходной частотной избирательности и почти -нулевой температурный коэффициент резонансной частоты (τf) для обеспечения стабильности передаваемой частоты [4,5]. Силикаты обладают несколькими интересными характеристиками, такими как сегнетоэлектричество в Bi2SiO5 и BaZnSiO4 [6,7], уникальный коэффициент теплового расширения в Ba1-xSrxZn2Si2O7 [8] и микроволновые диэлектрические свойства в Mg2Al4Si5O18.

Эти интересные особенности связаны со сложной кристаллической структурой материалов, состоящей из тетраэдров [SiO4] и других полиэдров. Как правило, силикаты имеют низкое значение диэлектрической проницаемости из-за связи Si-O в тетраэдре [SiO4], который содержит 45% ионной связи и 55% ковалентной связи; ковалентная связь снижает относительную диэлектрическую проницаемость из-за уменьшения дребезжащего эффекта [1]. Кроме того, многие виды силикатов, такие как Zn2SiO4, (Sr1-xAx)2(Zn1-xBx)Si2O7 (A = Ca, Ba и B = Co, Mg, Mn, Ni) и CaAl2Si2O8 [10–12], имеют было исследовано. Все эти силикаты имеют низкое значение диэлектрической проницаемости и высокий коэффициент качества, что делает эти материалы хорошими кандидатами для устройств миллиметрового диапазона. В последние годы было выполнено несколько работ, посвященных СВЧ-диэлектрической керамике на основе полевого шпата, которая включает структуры типа плагиоклазполевого шпата и типа щелочного полевого шпата. Химические формулы: A[B2C2]O8 (A= Ca, Sr, Ba; B = Al, Ga; C = Si, Ge) и A[BC3]O8 (A = K, Na; B = Al, Ga; C). = Si, Ge) соответственно [12–16]. Кристаллическая структура полевого шпата состоит из трехмерного каркаса тетраэдра [Al/GaO4] или [Si/GeO4]. Баланс заряда за счет замены Si4+/Ge4+ на Al3+/Ga3+ поддерживается добавлением межузельного щелочного или щелочноземельного иона [13]. За исключением самого распространенного полевого шпата, то есть цинкового полевого шпата, его редко замечают. В 1970 году Сегнит и соавт. В работе [17] методом твердофазной реакции синтезирована керамика BaZnSi3O8. Хойер и др. В работе [18] сообщается о кристаллической структуре монокристалла CaZnSi3O8, полученного гидротермальным методом в 1998 г. Fehr et al. [19] назвали CaZnSi3O8 цинковым полевым шпатом и предсказали существование SrZnSi3O8. В нашей предыдущей работе была синтезирована керамика BaZnSi3O8 и описаны ее микроволновые диэлектрические свойства [3]. Таким образом, до сих пор SrZnSi3O8 еще не был синтезирован, и его микроволновые диэлектрические свойства ранее не сообщались. В данной работе вместо ионов Ba2+ использовали ионы Sr2+, а твердый раствор Ba1-xSrxZnSi3O8 (x = 0,2-0,8) готовили методом твердофазной реакции. Кроме того, исследованы фазовый состав, микроструктура и микроволновые диэлектрические свойства керамики Ba1-xSrxZnSi3O8 (x = 0,2–1,0).
………………
Выводы
Традиционным твердотельным методом синтезирована низкодиэлектрическая СВЧ-диэлектрическая керамика Ba1-xSrxZnSi3O8 (x = 0,2–1,0) с низкой диэлектрической проницаемостью. Рентгенограммы, BSE-изображения и картирование показывают, что твердые растворы Ba1-xSrxZnSi3O8 с моноклинной структурой (пространственная группа P21/m) образуются при увеличении x от 0,2 до 0,8. Важно отметить, что впервые получена новая однофазная керамика SrZnSi3O8 с триклинной структурой (пространственная группа P-1). В относительной диэлектрической проницаемости Ba1-xSrxZnSi3O8 преобладает ионная поляризуемость, а εr линейно уменьшается от 6,57 до 6,12 при замещении ионов Ba2+ ионами Sr2+. Однако добротность сначала снижается с 34 735 ГГц (x = 0,2) до 28 986 ГГц (x = 0,4), а затем после определенного момента монотонно увеличивается. Значения τf незначительно варьируются от -23,9 частей на миллион/°C до -33,2 частей на миллион/°C в общем диапазоне x. Самые превосходные диэлектрические свойства для микроволнового излучения (а именно, εr = 6,12, Q×f = 78 064 ГГц и τf = -33,2 ppm/°C) достигаются при x = 1,0 (SrZnSi3O8).