Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的高頻本征介電性能與低溫?zé)Y(jié)特性研究

研究背景

第五代移動通信技術(shù)的高速發(fā)展對電子元器件應(yīng)用于高頻條件的性能提出了嚴(yán)格的要求：高的傳輸速率、低的插入損耗以及可協(xié)調(diào)的諧振頻率溫度系數(shù)。微波介質(zhì)陶瓷可以在微波頻段(300 MHz~300 GHz)下發(fā)揮一定功能性，得益于可控的器件尺寸以及優(yōu)異的微波介電性能，微波介質(zhì)陶瓷常被用于制備電路封裝基板、介質(zhì)諧振器天線、濾波器、雙工器、微波傳輸線、介質(zhì)波導(dǎo)等電子元件，是5G移動通信應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)性材料，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

Mg0.5Ti0.5TaO4是二元MgO–Ta2O5體系等摩爾比復(fù)合TiO2形成的一種新型Tri-rutile結(jié)構(gòu)陶瓷，該陶瓷據(jù)報(bào)道具有中等介電常數(shù)εr~40，低介質(zhì)損耗~3.5×10-4。然而針對該陶瓷體系的研究尚存在不足之處，如：(1)該陶瓷從屬于Tri-rutile結(jié)構(gòu)的X射線特征峰(002)與(001)衍射強(qiáng)度微弱，與Rutile結(jié)構(gòu)的X射線衍射峰相似，使其與Rutile結(jié)構(gòu)不易區(qū)分，無法合適分析該晶體結(jié)構(gòu)類型；(2)高頻本征介電響應(yīng)是認(rèn)識Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷微觀介質(zhì)極化機(jī)制的重要手段，然而目前亦未有研究報(bào)道該體系的本征介電性能，該現(xiàn)狀阻礙了學(xué)者對其微觀介質(zhì)極化機(jī)制的深入理解。(3)該陶瓷燒結(jié)溫度高達(dá)1350oC，是否可以借助于低熔點(diǎn)的玻璃助劑，在不惡化微波介電性能的前提下，降低燒結(jié)溫度？

內(nèi)容概要

為克服現(xiàn)今Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷研究存在的上述不足，近日，西安電子科技大學(xué)楊鴻宇講師聯(lián)合電子科技大學(xué)李恩竹教授團(tuán)隊(duì)，開展Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的高頻本征介電性能與低溫?zé)Y(jié)特性的相關(guān)研究。首先，為區(qū)分Tri-rutile與Rutile的結(jié)構(gòu)相似性并指認(rèn)該陶瓷的結(jié)構(gòu)類型，作者通過精細(xì)粉末X射線衍射、晶體結(jié)構(gòu)精修以及透射電鏡分析手段，具體分析并對比了二者存在的差距，同時(shí)提出了在Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷中存在的三倍超晶格結(jié)構(gòu)，如圖1與圖2所示。

圖1.(a)在1000 ~ 1100℃下的原料粉末的XRD圖譜；(b) 1200 ~ 1300℃燒結(jié)的Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的XRD圖譜；(c)使用Rutile模型進(jìn)行Rietveld精修的結(jié)果；(d)使用Tri-rutile模型進(jìn)行Rietveld精修的結(jié)果

圖2.沿[001]、[110]和[111]晶面軸Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的HRTEM和SAED圖

更重要的是，作者通過遠(yuǎn)紅外反射光譜以及復(fù)介電函數(shù)擬合分析，具體指認(rèn)了不同聲學(xué)模式對本征介電性能的貢獻(xiàn)程度，如圖3與表1所示，獲得了理論預(yù)測(ε0= 48.20, tanδ= 2.29×10-4)與測試(εr= 43.61, tanδ= 2.34×10-4)一致的結(jié)論。并提出了在Mg0.5Ti0.5TaO4中，位于229.48 cm-1處的聲學(xué)模對介電常數(shù)具有最顯著的貢獻(xiàn)(24.3%)，而129.13 cm-1的聲學(xué)模則對介質(zhì)損耗提供了最大貢獻(xiàn)，約71.8%，理論而言，位于100 ~ 270 cm-1間的聲學(xué)模對介電常數(shù)以及介質(zhì)損耗產(chǎn)生了絕大多數(shù)貢獻(xiàn)(分別約為78.3%以及97.8%)，該結(jié)論說明了在微波頻段下，Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的介質(zhì)極化絕大部分來源于紅外頻段下結(jié)構(gòu)聲子的振蕩吸收。

圖3. (a)實(shí)際測試以及擬合后的Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的紅外反射光譜；(b)復(fù)介電函數(shù)的實(shí)部與虛部

表1. Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷經(jīng)擬合后的聲學(xué)模式參數(shù)

除此之外，針對Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷燒結(jié)溫度過高的研究現(xiàn)狀，為提高該陶瓷的低溫?zé)Y(jié)性，拓展在電子元器件領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，作者基于液相活化燒結(jié)機(jī)制，通過分析Mg0.5Ti0.5TaO4與Li2O-MgO-ZnO-B2O3-SiO2(LMZBS)間的變溫浸潤性與動態(tài)燒結(jié)收縮行為，如圖4與圖5所示，為Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷尋找到一種高度匹配的玻璃助劑。

圖4. LMZBS玻璃與Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的浸潤性表征結(jié)果

圖5.Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷外摻4wt.%的LMZBS玻璃后的收縮曲線

一方面，當(dāng)Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷摻入2wt.%的LMZBS玻璃助劑后，于1025 ~ 1100oC燒結(jié)溫度下均未發(fā)現(xiàn)第二相，而當(dāng)燒結(jié)溫度為1050oC時(shí)，外摻LMZBS玻璃助劑含量達(dá)到3 wt.%時(shí)，產(chǎn)生LiTaO3第二相，如圖6所示。

圖6. (a)?在1025 ~ 1100oC燒結(jié)溫度下，Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷外摻4wt.%的LMZBS玻璃后的XRD圖譜；(b)?在1050oC燒結(jié)溫度下，Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷外摻2 ~ 4 wt.%的LMZBS玻璃后的XRD圖譜

進(jìn)一步研究該低溫?zé)Y(jié)材料體系的表觀密度與εr值的演變，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷外摻2 wt.%的LMZBS玻璃后，低溫?zé)Y(jié)材料體系的密度僅從6.577 g/cm3降低至6.495 g/cm3，雖然LMZBS玻璃具有較低的表觀密度，但由于外摻玻璃助劑的含量水平較低，對實(shí)際表觀密度影響較小，體系的介電常數(shù)亦未受到影響(約44.3)，與1350oC燒結(jié)溫度下的介電常數(shù)相近(約42.8)。說明適量LMZBS玻璃不僅對Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷的介電常數(shù)影響微弱，同時(shí)能顯著降低燒結(jié)溫度。

圖7. Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷外摻2 ~ 4wt.%的LMZBS玻璃后表觀密度與εr值變化

該低溫?zé)Y(jié)材料體系的Q×f與τf值的演變?nèi)鐖D8所示，可以發(fā)現(xiàn)在1050oC燒結(jié)溫度下，體系取得最佳Q×f值(約23820 GHz)，對應(yīng)τf值為123.2 ppm/oC。結(jié)合圖9的掃描電鏡分析可以發(fā)現(xiàn)，該燒結(jié)溫度下體系的形貌相對致密，氣孔率較低，燒結(jié)特性良好。

圖8. Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷外摻2 ~ 4wt.%的LMZBS玻璃后Q×f與τf值變化

圖9. Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷外摻xwt.%的LMZBS玻璃后，于1025 ~ 1100?oC燒結(jié)溫度下的SEM圖?(x?=2% ~ 4%) ? 相比于僅能在較高溫度下燒成的Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷，如表2所示，本研究在保證微波介電性能的同時(shí)大幅降低了燒結(jié)溫度?(1350?oC→1050?oC)。同時(shí)結(jié)合該低溫?zé)Y(jié)陶瓷體系與Ag/Pd的共燒實(shí)驗(yàn)?(圖10)?發(fā)現(xiàn)二者具有優(yōu)異的化學(xué)兼容與穩(wěn)定性，LMZBS玻璃對Mg0.5Ti0.5TaO4陶瓷具有優(yōu)異的低溫?zé)Y(jié)促進(jìn)效果，該材料體系具有應(yīng)用于電子元器件領(lǐng)域的潛力。

圖10.?低溫?zé)Y(jié)Mg0.5Ti0.5TaO4系陶瓷與Ag/Pd的共燒實(shí)驗(yàn)以及元素分布的mapping示意圖

表2. Tri-rutile結(jié)構(gòu)的Mg0.5Ti0.5TaO4基固溶體陶瓷微波介電性能對比 ? ?