Керамика CaIn2O4 орторомбической структуры с пространственной группой Pca21 была синтезирована методом твердофазной реакции. Высокая относительная плотность (95,6 %) и отличные микроволновые диэлектрические свойства (εr ~11,28, Qf = 74 200 ГГц, τf ~ -4,6 ppm/°C) были получены при спекании керамики при 1375°C в течение 6 часов. Диэлектрические свойства исследовались на основе теории химической связи Филлипса–Ван Фехтена–Левина. Результаты показали, что диэлектрические свойства в основном определяются связями In–O в керамике CaIn2O4. Эти связи вносят больший (74,65 %) вклад в диэлектрическую проницаемость, чем связи Ca–O (25,35 %). Кроме того, собственные диэлектрические свойства керамики CaIn2O4 были исследованы с помощью инфракрасной спектроскопии отражения. Экстраполированные микроволновые диэлектрические свойства составили εr ~ 10,12 и Qf = 112 200 ГГц. Результаты показали, что ионная поляризация вносит основной вклад в диэлектрическую проницаемость в микроволновом диапазоне частот.
Введение 
В связи с быстрым развитием коммерческих беспроводных технологий, микроволновая диэлектрическая керамика как ключевой материал крайне необходима в подложках, антеннах, диэлектрических резонаторах, фильтрах, конденсаторах, базовых станциях и генераторах. Эти материалы исследуются более полувека [1]. Несколько новых технологий, таких как Интернет вещей, облачные вычисления и искусственный интеллект, подпитывают спрос на высокоскоростное распространение сигнала в высокочастотных областях [2–4]. Поэтому диэлектрические материалы для СВЧ требуют низкой диэлектрической проницаемости (εr < 15) и высокого коэффициента добротности (Q) для сокращения задержки сигнала и снижения рассеивания энергии [5–7]. Кроме того, близкий к нулю температурный коэффициент резонансной частоты (τf) необходим для сохранения работоспособности устройств при различных температурах окружающей среды [8–10]. Как правило, диэлектрические материалы с низкими значениями εr и высокими значениями Qf часто сопровождаются большим отрицательным значением τf, и лишь немногие материалы демонстрируют желаемые микроволновые диэлектрические свойства. Таким образом, разработка новых материалов с низким εr, высоким Qf и близким к нулю значением τf остается сложной задачей. Настройка значений τf близкими к нулю при сохранении желаемых параметров εr и Qf, вероятно, является наиболее сложным аспектом разработки СВЧ-диэлектрической керамики [11,12]. До настоящего времени близкое к нулю значение τf обычно получается при комбинировании двух материалов с противоположными знаками τf [13,14]. Кроме того, фазы Раддлсдена–Поппера общей формулы Srn+1TinO3n+1, а также ARAlO4 (A = Sr, Ca; R = Sm, Nd, La) со структурой типа K2NiF4 могут улучшить структурную стабильность и значение τf за счет изменения радиуса B-позиции катиона [15–19].
Это открытие дает новое представление о регулировании значения τf диэлектрических керамических материалов для микроволнового излучения и может быть полезным для разработки диэлектрической керамики для микроволнового излучения с отрицательными значениями τf. Совсем недавно аналогичные результаты также наблюдались в системах Ca2MO4 (M = Si, Ge, Sn) [20–22] и LiMO2 (M = Al, Ga, In) [23, 24], как показано в таблице 1. Следовательно, диэлектрические материалы с низким значением εr и близким к нулю значением τf могут быть получены путем регулирования ионного радиуса в соединениях со сходными химическими формулами. Сонг и др. В работе [26] сообщается, что диэлектрические свойства керамики CaAl2O4 моноклинной структуры с пространственной группой P21/n, спеченной при 1450 ◦C, составляют εr ~ 8,9, Qf ~ 91 350 ГГц и τf ~ −55 м.д./◦C.
Учитывая, что In3+ не только имеет то же валентное состояние, что и Al3+, но также имеет более высокую ионную поляризуемость и больший ионный радиус, чем Al3+, стоит изучить кристаллическую структуру и микроволновые диэлектрические свойства керамики CaIn2O4. Такое исследование может привести к получению СВЧ-диэлектрической керамики с более высоким значением εr и значением τf, близким к нулю, чем у керамики CaAl2O4. В данной работе керамика CaIn2O4 была синтезирована традиционным методом твердофазной реакции. Были исследованы и охарактеризованы поведение при спекании, кристаллическая структура, микроструктура и микроволновые диэлектрические свойства керамики CaIn2O4. Кроме того, для исследования собственных диэлектрических свойств керамики CaIn2O4 использовались теория химической связи Филлипса-Ван Вехтена-Левина (P-V-L) и инфракрасная спектроскопия отражения.
……
Выводы
В этой работе керамика CaIn2O4 была приготовлена традиционным твердотельным способом. Данные XRD в сочетании с анализом уточнения Ритвельда показали, что керамика CaIn2O4 кристаллизовалась в единую фазу с орторомбической структурой. Оптимальные микроволновые диэлектрические свойства керамики CaIn2O4 были получены при температуре спекания 1375 ◦C в течение 6 ч с εr ~ 11,28, Qf = 74200 ГГц и τf ~ −4,6 м.д./◦C (на 13,8 ГГц). Анализ керамики CaIn2O4 с помощью теории связей P-V-L показал, что диэлектрические свойства в основном определяются связями In-O, и эти связи вносят больший (74,65 %) вклад в диэлектрическую проницаемость, чем связи Ca-O (25,35%). Инфракрасный спектр отражения был использован для исследования собственных диэлектрических свойств керамики CaIn2O4. Результаты показали, что ионная поляризация вносит основной вклад в диэлектрическую проницаемость в микроволновом диапазоне, и Qf можно улучшить за счет оптимизации экспериментальных процессов. По сравнению с некоторыми материалами с низкой диэлектрической проницаемостью, как показано в таблице 1, керамика CaIn2O4 продемонстрировала желаемые микроволновые диэлектрические свойства. Таким образом, керамика CaIn2O4 имеет потенциальное коммерческое применение в беспроводных технологиях.