τf керамики Y3Ga5O12 регулировали совместным легированием Ca2+/Ti4+ для Y3+ в позиции A и Ga3+ в позиции C с образованием керамики CaxY3-xTixGa5-xO12 (0 ≤ x ≤ 2,0) по твердофазной реакции. При 0 ≤ x ≤ 1,7 все образцы сохраняли структуру одного граната с пространственной группой Ia-3d. εr увеличился с 10,4 ± 0,1 до 15,9 ± 0,1, а τf оптимизировался с -54,7 ± 1,0 до -8,3 ± 1,0 частей на миллион / ℃, что объясняется увеличением поляризуемости на единицу объема и эффектом «дребезжания». Между тем, Q × f немного уменьшилась с 98 200 ± 500 ГГц до 65 300 ± 500 ГГц из-за уменьшения доли упаковки. При увеличении x до 2,0 свойства резко ухудшаются за счет второй фазы CaTiO3. Оптимальные свойства были получены при x = 1,7, при εr = 15,9 ± 0,1, Q × f = 65 300 ± 500 ГГц и τf = -8,3 ± 1,0 ppm/℃.
Введение
Разработка микрополосковых схем способствовала широкому развитию СВЧ-диэлектрической керамики (МВДК) в качестве основных материалов для резонаторов, фильтров и других компонентов в области мобильной связи. MWDC с низкой диэлектрической проницаемостью (εr) и высоким коэффициентом качества (Q × f) необходимы для соответствия малой задержке передачи сигнала и низким потерям при приближении частоты связи к миллиметровым волнам [1–5]. Исследователи стремились добиться близкого к нулю температурного коэффициента резонансной частоты (τf) для обеспечения стабильности устройств, работающих при различных температурах. Однако большинство МДК с низким εr имеют отрицательные значения τf, поскольку их εr в основном определяется ионной поляризацией [6]. В общем случае близкое к нулю τf можно получить, формируя двухфазную композиционную керамику с положительным и отрицательным τf или модифицируя элементарную ячейку с частичным замещением ионов [7–10]. Кроме того, Fu and Mao et al. сообщили, что τf можно регулировать путем совместного замещения ионами для увеличения поляризуемости по объему в керамике (Ca1-0,3xLa0,2x)[(Mg1/3Ta2/3)1-xTix]O3 и Sr1+xSm1-xAl1-xTixO4 [11]. ,12]. Недавно Fang и соавт. обнаружили, что керамика Mg3Y2Ge3O12 со структурой граната дает большое значение τf +120,5 ppm/℃, что вызвано «дребезжащим» эффектом катионов A-позиции [13]. Подобные «дребезжащие» катионы также существуют в А-позиции (Ba,Sr)Ge4O9, и замена Ba на Sr может скорректировать «дребезжащий» эффект. Таким образом, отрицательное значение τf BaGe4O9 (–44,2 м.д./℃) может быть доведено почти до нуля (–11,7 м.д./℃) [14]. Y3Al5O12 (YAG) со структурой граната является перспективным диэлектрическим материалом, обладающим превосходными микроволновыми диэлектрическими свойствами εr = 10,5, Q × f = 440 000 ГГц и τf = −66 ppm/℃ после спекания при 1650 ℃ [15]. Однако из-за сверхвысокой температуры спекания и большого отрицательного значения τf его трудно применять в устройствах СВЧ. Пэн и др. подготовили серию твердорастворной керамики CaxY3-xAl5-xTixO12 (0 ≤ x ≤ 2,0) путем совместной замены Y3+/Al3+ в Y3Al5O12 на Ca2+/Ti4+ для получения почти нулевого τf.

В результате τf увеличивается с −40 частей на миллион/℃ до +31 частей на миллион/℃, а превосходные всесторонние микроволновые диэлектрические свойства достигаются при x = 1,5 после спекания при 1550 ℃ с εr = 32,6, Q × f = 45 200 ГГц и τf = +7 ppm/℃ [16]. Ga и Al принадлежат к одному семейству и очень похожи по своей природе. По сравнению со сверхвысокой температурой спекания YAG превосходный диэлектрический свойства Y3Ga5O12 (YGG) могут быть получены при более низкой температуре спекания 1500 ℃ с εr = 11,56, Q × f = 104 728 ГГц и τf = – 21,2 ppm/℃ [17]. Однако отрицательное значение τf YGG все еще нуждается в дальнейшей настройке. Кроме того, цена сырья оксида галлия высока, и необходимо найти подходящие заменители. Учитывая небольшую разницу в эффективном ионном радиусе между катионами Ca2+/Ti4+ и Y3+/Ga3+ (Ca2+ и Y3+: КЧ = 8, r = 1,120 Å и 1,019 Å соответственно. Ti4+ и Ga3+: КЧ = 6, r = 0,605 Å и 0,620 Å соответственно, КЧ = 4, r = 0,420 Å и 0,470 Å соответственно), ожидается, что Ca2+ и Ti4+ заменят Y3+ и Ga3+ соответственно для формирования керамики CaxY3-xTixGa5-xO12 (0 ≤ x ≤ 2,0). В данной работе подробно исследовано влияние совместного легирования Ca2+/Ti4+ для Y3+/Ga3+ на фазовый состав, поведение при спекании, кристаллическую структуру и микроволновые диэлектрические свойства керамики Y3Ga5O12.
…………………
Вывод
Керамика CaxY3-xTixGa5-xO12 (0 ≤ x ≤ 2,0) была успешно синтезирована методом твердотельной реакции, и были исследованы микроволновые диэлектрические свойства вместе с их фазовой эволюцией, поведением при спекании и микроструктурой. Рентгенофазовый и ЭДС анализ показали, что чистые твердые растворы граната CaxY3-xTixGa5-xO12 получаются при 0 ≤ x ≤ 1,7, а вторая фаза CaTiO3 появляется при дальнейшем увеличении x свыше 1,7. Когда 0 ≤ x ≤ 1,7, εr значительно увеличился с 10,4 ± 0,1 до 15,9 ± 0,1, а τf постепенно оптимизировался с - 54,7 ± 1,0 частей на миллион / ℃ до - 8,3 ± 1,0 частей на миллион / ℃, что может быть связано с увеличением поляризуемость по объему и эффект «дребезжания». Между тем, Q × f несколько уменьшилась с 98 200 ± 500 ГГц до 65 300 ± 500 ГГц, что может быть связано с уменьшением доли упаковки. При 1,8 ≤ x ≤ 2,0 εr быстро увеличивалась с 17,6 ± 0,1 до 20,7 ± 0,1, Q × f резко уменьшалась с 43 300 ± 500 ГГц до 21 200 ± 500 ГГц, а τf увеличивалась с +0,3 ± 1,0 ppm/℃ до +24,5. ± 1,0 ppm/℃, что обусловлено второй фазой CaTiO3. Образец с x = 1,7, спеченный при 1400 ℃, показал отличные микроволновые диэлектрические свойства εr = 15,9 ± 0,1, Q × f = 65 300 ± 500 ГГц и τf = -8,3 ± 1,0 ppm/℃.