Твердые растворы BaCu2-xCoxSi2O7 с орторомбической структурой (Pnma) были приготовлены методом твердофазной реакции. Исследован процесс фазового синтеза, структурная эволюция и микроволновые диэлектрические свойства керамики BaCu2-xCoxSi2O7. Единая фаза BaCu2Si2O7 была получена при прокаливании при 950 oC в течение 3 часов и распалась на фазу BaCuSi2O6 при прокаливании при 1075 oC в течение 3 часов. Процесс спекания эффективно ускорялся, когда Cu 2+ заменяли Co2+, а максимальная растворимость BaCu2-xCoxSi2O7 находилась между 0,15 и 0,20. Теория комплексной химической связи P-V-L и спектры комбинационного рассеяния использовались для объяснения корреляций структура-свойство керамики BaCu2-xCoxSi2O7. Скорректированная диэлектрическая проницаемость (εr-корр) керамики BaCu2-xCoxSi2O7 монотонно уменьшалась с увеличением восприимчивости (Σχ μ) и ионной поляризуемости примитивной элементарной ячейки. Коэффициент качества (Q×f) увеличивался с увеличением прочности связи и энергии решетки (Ucal), особенно энергии решетки связи Si-O. Температурный коэффициент резонансной частоты (τf) определялся восприимчивостью и энергией решетки связи Cu/Co-O. Следующие оптимальные микроволновые диэлектрические свойства были получены при x = 0,15 при спекании при 1000 oC в течение 3 часов: εr = 8,45, Q×f = 58958 ГГц и τf = -34,4 ppm/oC.
Введение
СВЧ диэлектрическая керамика используется в диэлектрических резонаторах, фильтрах, подложках и т. д. [1]. Для систем беспроводной связи 5G требуются высокая частота, малая задержка, малые потери электронных устройств и миниатюризация; количество электронных устройств резко увеличилось из-за высокой скорости передачи и короткого расстояния передачи сигнала 5G [2]. Микроволновая диэлектрическая керамика с низкой диэлектрической проницаемостью, высокой добротностью и близким к нулю температурным коэффициентом резонансной частоты необходима для беспроводной связи 5G для достижения высокой скорости передачи сигнала, хорошей избирательности сигнала и отличной температурной стабильности [3]. Поэтому был исследован ряд микроволновых диэлектрических керамик с низкой диэлектрической проницаемостью [4-6]. Силикаты и проростки мелилитового типа проявляют множество новых свойств, таких как сегнетоэлектричество, ферромагнитное и отрицательное тепловое расширение [7-9]. Два различных соединения типа мелилита, а именно, A2BC2O7 и AB2C2O7 (A = Ca, Sr, Ba; B = Mg, Zn, Co, Ni, Mn, Cu и C = Si, Ge), определяются относительным количеством A -сайты и Bсайт-ионы. Себастьян и др. В работе [10] систематически исследованы микроволновые диэлектрические свойства керамики (Sr1-xA)2(Zn1-xBx)Si2O7 (A = Ca, Ba и B = Mg, Co, Ni, Mn).

В твердых растворах (Sr1-xBax)2ZnSi2O7 наблюдался фазовый переход от тетрагональной к моноклинной, а оптимальные микроволновые диэлектрические свойства были получены для Sr2ZnSi2O7 (εr = 8,40, Q×f = 105000 ГГц и τf = -51,5 м.д./oC). Сяо и др. [11,12] выявили корреляции между кристаллической структурой и микроволновыми диэлектрическими свойствами керамики A2MgSi2O7 (A = Ca, Sr) с использованием теории сложной химической связи. Ли и др. В работе [13] сообщается о микроволновых диэлектрических свойствах керамик Ba2MgGe2O7 и Ba2ZnGe2O7, которые демонстрируют тетрагональную структуру типа мелилита. До настоящего времени большое внимание уделялось СВЧ-диэлектрической керамике мелилита типа A2BC2O7, однако микроволновые диэлектрические свойства мелилитной керамики типа AB2C2O7 редко изучались. В предыдущей работе мы исследовали взаимосвязь между кристаллической структурой, энергией решетки и микроволновыми диэлектрическими свойствами керамики BaCo2Si2O7 и обнаружили, что она обладает хорошими микроволновыми диэлектрическими свойствами (εr = 9,26, Q×f = 31135 ГГц и τf = -92,1 ppm/oC). Разница в кристаллической структуре между A2BC2O7 и AB2C2O7 заключается в способе соединения между [BO4]2- и [C2O7]6-. Группа [C2O7]6- и тетраэдры [BO4]2- в A2BC2O7 соединяются друг с другом в плоскости а-с; поэтому A2BC2O7 показывает слоистую структуру, а A 2+ располагается между двумя слоями. Для AB2C2O7 тетраэдры [BO4]2- соединяются друг с другом в плоскости а-с и образуют цепочку [BO4]2-. Цепочка [BO4]2- в плоскости а-с соединяется с группой [C2O7]6- в плоскости а-b и образует скелетную структуру. Наконец, многогранная щель заполняется A2+.[CuO4] 2- представляет собой не тетраэдрическую, а прямоугольную плоскость в BaCu2Si2O7 из-за особенностей внеядерного распределения электронов Cu. BaCu2Si2O7 стал центром исследований ферромагнетизма из-за его интересной кристаллической структуры [14], но о его диэлектрических свойствах еще не сообщалось. В этой работе была приготовлена и охарактеризована керамика BaCu2-xCoxSi2O7 мелилитового типа. Процесс фазового синтеза характеризовали методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрии (ТГ). Энергия решетки, восприимчивость связи и коэффициент линейного теплового расширения были рассчитаны на основе теории сложной химической связи. Взаимосвязь между микроструктурой, кристаллической структурой, энергией решетки и микроволновыми диэлектрическими свойствами керамики BaCu2-xCoxSi2O7 также была систематически исследована впервые.
…………………
Вывод
Ряд твердых растворов BaCu2-xCoxSi2O7 (x = 0-0,15) готовили методом твердофазной реакции. Единую фазу BaCu2Si2O7 можно получить при прокаливании при 950 oC в течение 3 часов. Однако при повышении температуры прокаливания до 1075 oC в качестве второй фазы появляется BaCuSi2O6. Максимальная растворимость BaCu2-xCoxSi2O7 находится между 0,15 и 0,20. Когда Cu2+ был заменен Co2+, изменение параметров ячейки a, b и c представляет собой анизотропную тенденцию. Уменьшение параметров ячейки a было вызвано растяжением цепей [Cu/CoO4]2- вдоль оси c. В диэлектрической проницаемости преобладали относительная плотность и ионная полярность. Скорректированная диэлектрическая проницаемость уменьшалась с уменьшением ионной поляризуемости и полной восприимчивости (Σχ μ). Изменение добротности сильно зависело от средней длины связи и энергии решетки и возрастало до максимального значения при x = 0,15. Температурный коэффициент резонансной частоты показал тесную корреляцию с восприимчивостью связи Cu/Co-O и устойчивостью связи Cu/Co-O. С увеличением значения x увеличивается средняя длина связи и восприимчивость связи Cu/Co-O. Таким образом, стабильность связи Cu/Co-O уменьшалась, а температурный коэффициент резонансной частоты уменьшался со значением x. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства были получены при x = 0,15 при спекании при 1000 oC в течение 3 ч: εr = 8,45, Q×f = 58958 ГГц и τf = -34,4 ppm/oC.