Новое соединение типа каменной соли, а именно Li3MgNbO5, было впервые синтезировано с использованием традиционного двухстадийного процесса спекания. Продукты были охарактеризованы с помощью рентгеновской дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (TEM), сканирующей электронной микроскопии (SEM), а также термодилатометра и анализатора цепей. Керамика Li3MgNbO5, спеченная при 1260°C, имеет кубическую структуру с пространственной группой Fm-3m и демонстрирует превосходные диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне (MDP) er = 16,2, Q f = 96796 ГГц и TCF = -24,8 ppm/C. Результаты подгонки инфракрасного спектра показали, что диэлектрическая поляризация Li3MgNbO5 в микроволновом диапазоне частот обусловлена фононным поглощением в инфракрасном диапазоне. Кроме того, отрицательное значение ВКФ керамики Li3MgNbO5 было компенсировано традиционным компенсатором ВКФ * CaTiO3. Почти нулевое значение TCF в композитной керамике 0,96Li3MgNbO5–0,04CaTiO3 с er = 18,4 и высокой Q 9 f = 86625 ГГц было достигнуто значение 1,2 ppm/C, обладающее большим потенциалом для применения в системах микроэлектроники.
Введение
Диэлектрическая керамика с прекрасным сочетанием диэлектрических свойств, делающих ее пригодной для применения в системах СВЧ-связи в качестве резонаторов, фильтров и подложек антенн, активно изучалась в последние полвека [1–3]. Для приложений диэлектрическая керамика требует низких диэлектрических потерь или высокой добротности (Q 9 f), близкого к нулю температурного коэффициента резонансной частоты (TCF) и соответствующей относительной диэлектрической проницаемости (er). С продвижением беспроводной связи в сторону высокочастотного микроволнового и миллиметрового диапазона очень востребована микроволновая керамика с более высокой добротностью [4, 5]. Некоторые диэлектрические керамики с малыми потерями, такие как Al2O3, Mg2SiO4, Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 и Ba(Zn1/3Ta2/3)O3, нашли применение в системах микроэлектроники в последние десятилетия [6–9]. Однако проблемы высокой температуры спекания (> 1300 C) и дороговизны сырья (Ta2O5) не позволяют в долгосрочной перспективе коммерциализировать эти диэлектрики. Поэтому становится все более интересным разработать микроволновую диэлектрическую керамику, которая нетоксична, имеет низкую стоимость в сочетании с высокими значениями добротности. В последние годы большое внимание привлекают микроволновые диэлектрические материалы тройной системы Li2O–MgO–TiO2 с кубической структурой каменной соли благодаря их высоким значениям добротности и низкой стоимости [10–18]. Такие тройные соединения типа каменной соли фактически можно рассматривать как твердые растворы, образованные Li2TiO3–MgO. В 1979 году А.Р. Уэст обнаружил фазовый переход из моноклинной фазы Li2TiO3 в кубическую фазу MgO, когда x превышал 0,4 в системе (1-x)Li2TiO3–xMgO [19]. После этого сообщалось о серии твердых растворов типа MgO [(MgO)ss] с пространственной группой Fm-3m, таких как Li2MgTiO4 (0,5Li2-TiO3-0,5MgO), Li4Mg3Ti2O9 (0,4Li2TiO3-0,6MgO), Li2Mg2TiO5 (1/3Li2TiO3-2/3MgO), Li6Mg7Ti3O16 (0,3Li2TiO3- 0,7MgO), Li2Mg3TiO6 (0,25Li2TiO3-0,75MgO), Li2Mg4TiO7 (0,2Li2TiO3-0,8MgO) [11–16] Особо следует отметить увеличение значений Q f для упомянутой выше (MgO)ss по крайней мере на 49,6% по сравнению с чистой керамикой Li2TiO3. Причина может заключаться в том, что микротрещина и плоскость спайности (001) исчезли при образовании (MgO)ss, что привело к значительному снижению диэлектрических потерь [20]. Аналогичные результаты были получены и в системах Li2SnO3–MgO и Li2ZrO3–MgO [21–24]. Li3NbO4 относится к кубической структуре каменной соли с пространственной группой I-43 m, обладающей хорошими МДП er = 16,4, Q 9 f = 47179, sf = - 45 ppm/C [25]. Следовательно, в системе Li3NbO4–MgO можно было бы ожидать широкий спектр твердых растворов из-за их одинаковой кристаллической структуры и близких ионных радиусов Li (0,76 Å), Mg2 (0,72 Å), а Nb5 (0,64 Å). Биан и др. исследовали структурную эволюцию и МДП системы Li3-3xMg4xNb1-xO4 с переходом симметрии кристалла от кубического порядка (I-43 m) к неупорядоченной кубической фазе (Fm-3 m) при 0,01 B x \ 1/3; при этом образовалось промежуточное соединение Li3Mg2NbO6 с орторомбической структурой при x = 1/3 состава [26]. В настоящей работе была разработана и изготовлена новая керамика твердого раствора Li3-MgNbO5 (0,5Li3NbO4 - 0,5MgO) методом твердофазного спекания. Кристаллическую структуру и МДП оценивали вместе с их микроструктурой. Кроме того, для исследования их собственных диэлектрических свойств была проведена инфракрасная спектроскопия отражения.
………………
Выводы
В этой работе новая керамика Li3MgNbO5 типа каменной соли была изготовлена методом твердофазного спекания. Уточнения Ритвельда, картина SEAD и HRTEM подтвердили, что Li3MgNbO5 кристаллизовался в кубической структуре каменной соли с пространственной группой Fm-3m. Эволюция микроструктур соответствовала тенденции изменения относительной плотности и MDP. Оптимальные МДП с er 16,2, Q f 96796 ГГц и значением TCF -24,8 ppm/C были получены при 1260 C/4 ч для керамики Li3MgNbO5. Результаты подгонки спектров инфракрасного отражения оказались очень близкими к измеренным. Наконец, температурной стабильности керамики противодействовал CaTiO3, и полученный 0,96Li3MgNbO5–0,04CaTiO3 обладал удовлетворительными всесторонними диэлектрическими характеристиками (er = 18,4, Q f = 86625 ГГц и TCF = ≥ 1,2 ppm/C).