Две керамики Sr3B2Ge3O12 со структурой кубического граната (B = Yb, Ho; называемые SYG и SHG), синтезированные методом высокотемпературной твердофазной реакции, были исследованы с точки зрения фазообразования, поведения при спекании и микроволновых диэлектрических характеристик. При оптимальных температурах спекания SYG имели низкую диэлектрическую проницаемость (εr) = 9,30, высокую добротность (Q × f) = 129 360 ГГц и отрицательный температурный коэффициент резонансной частоты (τf) = − 42 ppm/℃, тогда как SHG демонстрировал низкий εr = 9,23, Q × f = 104 600 ГГц и относительно близкое к нулю значение τf = − 26 ppm/℃. Различие в микроволновых диэлектрических характеристиках обеих керамик обсуждалось по доле упаковки, полной ширине на полувысоте (FWHM) рамановской моды A1g при 779 см-1 (775 см-1) и валентности связи. Собственные диэлектрические свойства керамики SYG и SHG были исследованы по спектрам инфракрасного отражения, а их отрицательные значения τf были настроены близко к нулю.
Введение
Микроволновая диэлектрическая керамика привлекает все большее научное и коммерческое внимание в связи с ее широкими перспективами применения на рынке 5G из-за ее преимуществ небольшого размера, легкого веса и высокого коэффициента качества (Q × f) [1–4]. Общая тенденция рабочей частоты для связи 5G - миллиметровая волна, а некоторые специальные полосы частот следующие: 24,25–27,5 ГГц, 37–43,5 ГГц и 66–71 ГГц. Основными требованиями к применению миллиметровых волн являются широкая полоса пропускания, более высокая скорость передачи с очень малой временной задержкой и высокая стабильность [5–6]. Поэтому требуются новые материалы с низкой диэлектрической проницаемостью (εr < 20), сверхнизкими диэлектрическими потерями (высокая добротность >5000 на рабочей частоте) и близкими к нулю значениями τf для термической стабильности [7–9]. Керамика граната Y3Al5O12 (температура спекания =1650 ◦C/24 ч, сверхвысокая Q × f = 440 000 ГГц, низкая εr = 10,5 и τf = -66 ppm/◦C) [10] и Re3Ga5O12 (Re: Nd, Sm, Eu, Dy, Yb и Y) с высокими температурами спекания 1350 ◦C ‒1500 ◦C, высоким значением Q × f (от 40 000 до 192 173 ГГц), низким εr (11,5‒12,5) и относительно стабильным τf (−33,7 ppm/ ◦C до −12,4 ppm/◦C) [11] были разработаны с низким εr, а микроволновые диэлектрики со сверхмалыми потерями используются в качестве микроволновых резонаторов и усовершенствованных подложек в микроволновых интегральных схемах. Однако высокие температуры их спекания препятствуют их практическому использованию. Гранаты с общей формулой А3В2С3О12 (пространственная группа Ia-3d, Z = 8) состоят из разнотипных полиэдров (додекаэдра [А], октаэдра [В] и тетраэдра [С]), которые имеют большое разнообразие композиционных производных за счет уникальная кристаллическая структура. Редкоземельные и щелочноземельные элементы обычно занимают позиции А. Позиции B в основном содержат редкоземельные и переходные металлы.

Поливалентные катионы, в том числе V5+/As5+ и Si4+/Ge4+, описаны в C-цитах [12]. Некоторые гранаты на основе ванадатов показали характеристики относительно хороших диэлектрических характеристик и низких температур спекания, такие как Sr2NaMg2V3O12 (εr = 11,7, Q × f = 37 950 ГГц и τf = −2,9 ppm/°C) [13]; Na2PrMg2V3O12 (εr = 12,6, Q × f = 15040 ГГц и τf = – 45,1 м.д./°C) [14]; Na2YbMg2V3O12 (εr = 13,1, Q × f = 22 040 ГГц и τf = – 59,2 м.д./°C) [14]; Na2BMg2V3O12 (B = Nd, Sm) с εr ~ 12, Q × f = 26, 544 ГГц и τf ~ −69 м.д./°C [15]; NaPb2B2V3O12 (B = Mg, Zn) с εr ~ 20,6–22,4, Q × f ~ 7900–22800 ГГц, τf ~ −6–25,1 м.д./°C [16]; AgPb2B2V3O12 (B = Mg, Zn) с εr ~ 23,3–26,4, Q × f ~ 26 900–28 400 ГГц и τf ~ −18,4–19,3 м.д./°C [17]. Однако эти значения Q × f неэффективны для применения в миллиметровом диапазоне. Таким образом, поиск высокодобротных гранатов продолжается. Недавно сообщалось, что некоторые гранаты на основе германата обладают относительно высокими значениями Q × f, такие как Ca3Al2GeO12 (εr = 7,6, Q × f = 104 100 ГГц и τf = −15 ppm/°C) [18] и Ca3Y2Ge3O12 с низким значением εr 10,8. , высокое значение Q × f, равное 97 126 ГГц, и значение τf, равное −40,6 ppm/°C) [19]. Фанг и др. выявили влияние разнообразного распределения катионов в позиции А на свойства СВЧ-диэлектрической керамики с гранатовой структурой [19]. Sr3B2Ge3O12 (B = Yb, Ho), принадлежащий к семейству гранатов, был исследован как хороший материал решетки для люминесцентных свойств [20,21]. Влияние различных катионов в положении B в гранатовой керамике Sr3B2Ge3O12 на диэлектрические характеристики не изучалось. Таким образом, в данной работе были приготовлены керамики с гранатовой структурой Sr3B2Ge3O12 (B = Yb, Ho) и изучены их фазовая эволюция, микроструктура и микроволновые диэлектрические свойства. Спектры комбинационного рассеяния света и инфракрасные спектры отражения были проанализированы для изучения взаимосвязи между собственными диэлектрическими характеристиками и кристаллической структурой.
……………
Выводы
В этом исследовании керамика SYG и SHG со структурой кубического граната была синтезирована при температуре 1100–1280 ℃ традиционным методом твердофазной реакции. Плотная и однородная керамика была получена при 1240 ℃ для SYG с низким εr = 9,30, высоким Q × f = 129 360 ГГц и отрицательным τf = − 42 ppm/℃. Кроме того, в то время как керамика SHG, спеченная при 1260 ℃, показала низкие значения εr = 9,23, Q × f = 104 600 ГГц и относительно близкое к нулю значение τf, равное −26 ppm/℃. Измеренное значение εr в керамиках SYG и SHG было относительно близко к теоретическим значениям εth. Разница в значениях Q × f сильно зависела от степени упаковки и полуширины рамановской моды A1g при 779 см–1 (775 см–1). Чем больше |τf| значение SYG было связано с пониженной валентностью связи. В микроволновом диапазоне диэлектрическая поляризация возникает в основном за счет фононного поглощения в инфракрасной области. Отрицательные значения τf керамики SYG и SHG были доведены почти до нуля путем формирования композитной керамики с CaTiO3.