Исследованы фазовая эволюция и микроволновые диэлектрические свойства керамической системы ZnAl2O4–3Zn2SiO4–2SiO2 с добавлением SrTiO3. С добавкой SrTiO3 температура спекания плотной керамики снижается с 1320 °С до 1180–1200 °С. Согласно номинальному составу ZnAl2O4–3Zn2SiO4–2SiO2-ySrTiO3 фазовая эволюция выявляется по рентгенограммам и изображениям обратного рассеяния электронов: фазы Zn2SiO4, ZnAl2O4 и SiO2 сосуществуют при y = 0; SrTiO3 реагирует с ZnAl2O4 и SiO2 с образованием SrAl2Si2O8, TiO2 и Zn2SiO4 при y = 0,2–0,8, а фаза SiO2 исчезает при y = 0,8; новая фаза Zn2TiO4 получается при y = 1. Наличие TiO2 оказывает существенное влияние на диэлектрические свойства. Оптимизированные микроволновые диэлектрические свойства достигаются при y = 0,6, а керамика демонстрирует низкую диэлектрическую проницаемость (7,16), высокую добротность (57, 837 ГГц) и низкий температурный коэффициент резонансной частоты (-30 ppm °C).
Введение С развитием технологии мобильной связи пятого поколения (5G) частоты миллиметровых волн стали предпочтительными несущими частотами из-за более широкой полосы пропускания и более высокой скорости передачи [1,2]. Для технологии миллиметрового диапазона керамические подложки имеют очевидные преимущества благодаря сверхнизким диэлектрическим потерям, стабильной и регулируемой диэлектрической проницаемости и стабильным температурным характеристикам [3,4]. Для применения в подложке, особенно в будущих микроволновых интегральных схемах (МИС), очень важна низкая диэлектрическая проницаемость, поскольку она обеспечивает более высокую скорость распространения сигнала, а также может уменьшить индуктивные перекрестные помехи и генерацию шума в МИС [5,6]. Согласно уравнению Клаузиуса-Моссотти, диэлектрическая проницаемость в основном определяется диэлектрической поляризуемостью на единицу объема [7]. Диэлектрическая поляризуемость соединения может быть определена по ионной поляризуемости с использованием правила аддитивности [8]. Чтобы получить низкую диэлектрическую проницаемость, предпочтение отдается иону с низкой поляризуемостью. Как сообщает Шеннон [8], существует всего четыре иона Be2+, B3+, Al3+, Si4+ с поляризуемостью меньше единицы. Среди них соединения, содержащие Al3+ [9] или Si4+, привлекли большое внимание для применения в качестве подложек из-за их низкой диэлектрической проницаемости, высокой добротности, экологичности, низкой стоимости и хороших механических свойств, таких как Zn2SiO4 (εr = 6,6, Q × f = 219 000 ГГц, τf = –61 миллионных долей °C–1) [6] и ZnAl2O4 (εr = 8,5, Q × f = 56 319 ГГц, τf = –79 миллионных долей °C–1) [10]. Однако высокая температура спекания Zn2SiO4 и ZnAl2O4 приводит к испарению цинка и нестабильности диэлектрических характеристик [11]. Кроме того, диэлектрическая проницаемость модифицированных алюминатов и силикатов с близким к нулю τf, таких как Zn2SiO4–TiO2 (εr = 9,3) [6] и ZnAl2O4–TiO2 (εr = 12,67) [10], еще нуждается в снижении. Как ZnAl2O4 (ганит), так и Zn2SiO4 (виллемит) являются бинарными соединениями в тройной системе ZnO–Al2O3–SiO2 [12,13]. Было обнаружено, что виллемит (Zn2SiO4) плавится конгруэнтно при 1512 °C, а ганит (ZnAl2O4) плавится конгруэнтно при температурах, близких к 1950 °C. Сообщается, что бинарная эвтектика между виллемитом и ганитом находится при 1460 °C, а тройная эвтектика, включающая виллемит и ганит, находится при 1315 ° C в системе ZnAl2O4–Zn2SiO4–SiO2. Обычно температура спекания соединений тесно связана с их температурой плавления. Исследовать микроволновые диэлектрические свойства керамики в системе ZnAl2O4–Zn2SiO4–SiO2 имеет смысл для низкой тройной эвтектической точки и низкой диэлектрической проницаемости. Учитывая отрицательный температурный коэффициент резонансной частоты (τf) для Zn2SiO4 и ZnAl2O4, необходимо вводить соединение с положительным τf, чтобы получить близкое к нулю τf. Как правило, керамические материалы на основе титана, такие как TiO2 [10, 14], CaTiO3 [15, 16] и SrTiO3 [17, 18], используются для компенсации отрицательного значения τf микроволновой диэлектрической керамики. В настоящей работе SrTiO3 внедряется в керамику ZnAl2O4–Zn2SiO4–SiO2 и исследуются микроволновые диэлектрические свойства вместе с фазовой эволюцией и характеристиками спекания.
…………………
Выводы
В настоящей работе керамика ZnAl2O3–3Zn2SiO4–2SiO2 с добавлением SrTiO3 была изготовлена методом твердотельной реакции. С добавкой SrTiO3 температура спекания плотной керамики снижается с 1320 °С до 1180–1200 °С. Согласно номинальному составу Zn2SiO4–3ZnAl2O4–2SiO2-ySrTiO3 фазовое превращение фиксируется рентгенограммами и изображениями обратного рассеяния электронов: при y = 0,2–0,8 SrTiO3 реагирует с ZnAl2O4 и SiO2, затем образуются SrAl2Si2O8, Zn2SiO4 и TiO2; при y = 0,8 все фазы SiO2 исчезают после обеспечения источника Si в фазе полевого шпата и реакции с ионом Zn из ZnAl2O4; при y = 1 все фазы SiO2 способствуют образованию полевого шпата, а оставшийся ион Zn из ZnAl2O4 реагирует с частью фазы TiO2 с образованием фазы Zn2TiO4. Количество фазы TiO2 оказывает важное влияние на диэлектрическую проницаемость и температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.