Керамика LiGa5O8 с обратной структурой шпинели была приготовлена в интервале температур 1200–1300 ℃ методом твердофазной реакции. Керамика LiGa5O8 кристаллизовалась в кубической структуре с пространственной группой P4332, в которой Li+ и Ga3+ распределены в октаэдрических позициях B с упорядочением 1:3. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства с εr = 10,51, Q×f = 127 040 ГГц и τf = –60,16 ppm/℃ были достигнуты при 1260 ℃ в течение 6 часов. Обсуждались микроволновые диэлектрические свойства в сочетании с внутренними характеристиками кристаллической структуры по доле упаковки, спектрам комбинационного рассеяния и инфракрасному спектру отражения. Кроме того, CaTiO3 использовался для подавления τf керамики LiGa5O8 почти до нуля, а оптимизированные характеристики εr = 12,79, Q×f = 109 752 ГГц и τf = +4,07 ppm/℃ были получены для керамики 0,94LiGa5O8-0,06CaTiO3 при 1260 ℃. Эти яркие пятна делают керамику LiGa5O8 потенциальным кандидатом для технологий 5G и миллиметровых волн.
Введение В последнее время микроволновая диэлектрическая керамика (MWDC) широко используется в Интернете вещей, мобильной связи, GPS и сверхвысокоскоростных локальных сетях благодаря легкому весу, компактным размерам и выдающимся диэлектрическим характеристикам [1–3]. С развитием технологии связи 5G в миллиметровом диапазоне волн, рабочей частоте 24–30 ГГц или 60–70 ГГц значительно сократилось время задержки передачи сигнала (менее 1 мс) [4,5]. Следовательно, это стимулирует развитие СВЧ-диэлектрической керамики в сторону низкой диэлектрической проницаемости (εr), высокой добротности (Q×f) и близкого к нулю температурного коэффициента резонансной частоты (τf) [6–8]. Керамика со структурой шпинели с формулой AB2O4 получила широкое внимание благодаря своим выдающимся физико-химическим свойствам. Вообще говоря, материалы со структурой шпинели можно разделить на нормальную шпинель, частичную шпинель и инверсную шпинель в соответствии с распределением катионов [9]. Многие исследования пришли к выводу, что распределение упорядочения катионов играет важную роль в увеличении значения Q×f диэлектрической керамики СВЧ, такой как Ba(Zn1/3Ta2/3)O3, Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 и Ba4LiNb3O12 [10–13]. Недавно было сообщено о большом количестве литийсодержащих соединений со структурой шпинели с различным упорядочением катионов в октаэдрической позиции (B-позиция), которые обладают выдающимися микроволновыми диэлектрическими характеристиками. Во-первых, Себастьян и др. сообщили о шпинельной керамике Li2ATi3O8 (A = Zn, Mg и Co) [14–16] и Li2AGe3O8 (M = Zn, Co и Ni) [17,18] с упорядоченным положением B 1:3. Например, керамика Li2AM3O8 (A = Mg, Zn, Co, Ni; M = Ti, Ge) показала хорошие микроволновые диэлектрические свойства с εr = 8 ∼ 29, Q×f = 40 500 ∼ 72 000 ГГц и τf = –78 ∼ + 3,2 ч/млн/℃. Кроме того, керамика LiZnNbO4, спеченная при 950 ℃ с упорядоченным размещением Li+ и Nb5+ 1:1 в B-позиции, имела микроволновые диэлектрические характеристики εr = 14,6, Q×f = 47 200 ГГц и τf = -64,5 ppm/℃ [19]. Недавно керамика LiAl5O8, о которой сообщают Lan et al. также показал упорядоченное распределение катионов 1: 3 в позиции B с микроволновыми диэлектрическими свойствами εr = 8,43, Q × f = 49 300 ГГц и τf = –38 ppm / ℃ при 1600 ℃ [20]. Учитывая схожую кристаллическую структуру и более низкую температуру синтеза по сравнению с LiAl5O8, наше внимание привлек LiGa5O8. LiGa5O8 имеет структуру обратной шпинели и претерпевает переход первого рода, обусловленный упорядочением 1:3 Li+ и Ga3+ в октаэдрической позиции при 1140 ℃ с понижением температуры [21]. Упорядоченный LiGa5O8 можно записать как (Ga2) A(LiGa3) B O8, в котором Li+ и частичный Ga3+ занимают октаэдрическую позицию (позиция B) в дальнем порядке 1:3, а остальные ионы Ga3+ координированы тетраэдрически. (сайт) [22]. Сообщалось о колебательных спектрах и фотолюминесценции LiGa5O8 [23,24]. Кроме того, различными способами были успешно получены LiGa5O8: (Ni2+, Mn, Co и Cr3+) [25–28] и изучены их оптические свойства. В этой работе мы подготовили керамику LiGa5O8 с помощью традиционного метода твердофазной реакции и сосредоточились на характеристиках спекания, кристаллической структуре, спектре инфракрасной отражательной способности и взаимосвязи между спектрами комбинационного рассеяния и их микроволновыми диэлектрическими свойствами.
Выводы. В настоящей работе керамика LiGa5O8 с инверсной структурой шпинели была синтезирована при 1200–1300 ℃. Уточнение Ритвельда и SAED подтвердили фазовую чистоту и упорядоченную структуру LiGa5O8 с пространственной группой P4332. При оптимальной температуре спекания 1260 ℃ была получена плотная керамика с однородной микроструктурой, с оптимальными микроволновыми диэлектрическими свойствами εr = 10,51, Q×f = 127 040 ГГц и τf = -60,16 ppm/℃. Была подробно объяснена взаимосвязь между микроволновыми диэлектрическими свойствами и рамановской модой при 424 см-1. Кроме того, собственная диэлектрическая проницаемость, равная 10,07, и значение Q×f, равное 152 590 ГГц, были экстраполированы на подобранные спектры отражения инфракрасного излучения. Большие отрицательные значения τf были успешно настроены на почти аэродинамические путем формирования композитной керамики 0,94LiGa5O8-0,06CaTiO3, спеченной при 1260 ℃ в течение 6 часов с εr = 12,79, Q×f = 109 752 ГГц и τf = +4,07 ppm/℃. Низкие потери, возможная подготовка и выдающиеся микроволновые диэлектрические свойства позволяют предположить, что керамика LiGa5O8 является многообещающим кандидатом для приложений 5G.