В настоящей работе после спекания при высокой температуре был синтезирован новый тип керамики, а именно MnZrTa2O8. Возможный механизм диэлектрических потерь обсуждался с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния и теории химической связи. Рентгеновская дифракция показала, что MnZrTa2O8 образовался в результате реакции между ZrO2 и промежуточным продуктом MnTa2O6. После спекания при 1350 С для керамики была получена моноклинная структура с параметрами ячеек a = 4,8370(3) A, b = 5,7163(1) A, c = 5,1398(5) A, b = 91,7219. Среди всех связей Ta–O с наибольшей ионностью связи и энергией решетки была доминирующим фактором, влияющим на микроволновые диэлектрические свойства. Температурный коэффициент резонансной частоты sf изменялся от - 50,55 до - 41,21 м.д./Кл, что было связано с энергией решетки. Влияние пористости на диэлектрические потери также было проверено и оказалось значительным. Керамика MnZrTa2O8 показала относительную диэлектрическую проницаемость er * 23,0 и повышенную добротность Q 9 f * 48103 ГГц (на частоте 8,97 ГГц), что сделало ее многообещающим кандидатом для электрических компонентов.
Введение
Быстрое развитие беспроводной связи 5G привело к увеличению спроса на микроволновую диэлектрическую керамику. Важнейшими характеристиками резонаторов являются (1) подходящий диапазон диэлектрической проницаемости (er), (2) отличная добротность (Q 9 f, Q подвержена диэлектрическим потерям tand) для определения частотной избирательности и (3) близкий к нулю температурный коэффициент резонансная частота (sf = 0±5 ppm/C) для стабилизации частоты [1–3]. В частности, относительная диэлектрическая проницаемость er должна быть в диапазоне 20–50 в базовых станциях сотовой связи [4]. Несмотря на то, что Ba(Mg1/3Ta2/3)O3 обладает превосходными диэлектрическими свойствами и широко используется в качестве микроволнового устройства, для него часто требуется высокая температура обработки (*1600 C) [5]. Поиск новых типов диэлектриков стал как никогда актуальным. Материалы AZrNb2O8 (A: Co, Mg, Zn и Mn) имели er от 9,6 до 16,5 и Q 9 f от 26 950 до 58 500 ГГц, что оказалось привлекательным кандидатом для микроволновых приложений [6]. Изменения Q 9 f и er были объяснены на основе коэффициента упаковки и ионной поляризуемости соответственно [6]. Для получения объемной керамики при относительно низкой температуре в ZnZrNb2O8 добавляли 3 мас.% BaCu(B2O5) [7]. Такой же результат был получен при использовании водного золь-гель метода, поскольку наноразмерные частицы обычно обладали большой площадью поверхности [8]. Конкретно для NiZrNb2O8 его sf и Q 9 f были улучшены с помощью ZnTa2O6 [9]. Из-за близких эффективных ионных радиусов Nb и Ta исследователи уделяли большое внимание замещению ионов. Ли [10, 11] разработал и изготовил сверхмалые потери AZrTa2O8 (A = Mg, Zn) с Q 9 f до 110700–140900 ГГц. Что еще более важно, Q 9 f‘ для Mg0,9Ca0,1ZrTa2O8 увеличился более чем в два раза, представляя собой самый высокий уровень среди современных вольфрамитовых диэлектриков [12]. Недавно мы провели систематическое исследование NiZrNb2O8, легированного Ta. Q 9 f была значительно увеличена до 86404 ГГц, а большая sf была компенсирована корректировкой химического состава [13]. В научных отчетах указано, что замена Nb на Ta может быть эффективной для оптимизации диэлектрических свойств керамики AZrNb2O8. Однако оставались проблемы в объяснении механизма диэлектрических потерь в микроволновом поле. MnZrNb2O8, член семейства AZrNb2O8, имеет Q 9 f 27936 ГГц [6]. Таким образом, улучшение стоило бы исследовать. С другой стороны, многие новые материалы на основе Ta, такие как NiSnTa2O8 [14], MgTiTa2O8 [15] и Co0,5Ti0,5TaO4 [16], обладают интересными свойствами, что указывает на их потенциальное применение в технологии микроволновой связи. Все эти факторы подтолкнули нас к поиску системы MnZrTa2O8 с малыми потерями. Как уже упоминалось, свойство микроволнового излучения особенно чувствительно к кристаллической структуре и, в частности, к химическим связям. Тем не менее, насколько нам известно, исследований характеристик связи в керамике AZrTa2O8 немного. Поэтому мы также прилагаем усилия для изучения взаимосвязей структура-свойства на основе теории связи Филлипса-Ван Фехтена-Левина (P-V-L).
Выводы
MnO, Ta2O5 и ZrO2 использовали в качестве сырья для синтеза MnZrTa2O8 твердофазным методом. При прокаливании установлено наличие промежуточной фазы MnTa2O6. Однофазный MnZrTa2O8 образовывался при температуре выше 1200 C. После спекания все эти соединения образовывали моноклинную структуру с пространственной группой P2/c. Спектроскопию комбинационного рассеяния использовали для подтверждения характеристик связи образцов. Как er, так и Q 9 f сначала увеличивались и достигали максимального значения при 1350°С, а затем постепенно уменьшались. Анализ с помощью теории химической связи P – V – L четко прояснил важность связи Ta – O во влиянии на диэлектрические свойства, в основном из-за ее наибольшей ионности связи и энергии решетки. В частности, керамика MnZrTa2O8 хорошо уплотнялась при 1350 C со значительным увеличением Q 9 f*48103 ГГц.