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目前5G技术应用日趋成熟，对下一代无线通信技术的研究也逐步展开，相应的频谱资源拓展到太赫兹频段。随着通信频率的不断上升，电磁波在传输过程中受到空气和水蒸气的衰减作用更加明显，使得信号传输距离缩短，基站建置量扩大，无线通讯系统的能耗问题亟待解决。其中，降低无源器件的功耗可有效降低系统总能耗，是实现无线通讯系统高频化发展的关键。低损耗介质陶瓷是发展新一代低功耗无源器件的基础，开展介质陶瓷在微波、太赫兹频段的介电响应及其损耗机理研究，可为新型低损耗介质陶瓷体系与器件开发提供指导。
本论文针对微波及太赫兹频段下对无源器件高频化、低损耗的应用要求，选取基于过渡金属离子的类金红石体系，借助电子顺磁共振谱、太赫兹时域光谱、拉曼散射光谱等手段，结合仿真计算，对其晶体结构中第四周期过渡金属离子(包括Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+)进行系统研究，从而探明该体系在微波及太赫兹频段下的介电损耗机理；在此基础上，结合复杂化学键理论计算，完善类金红石体系在微波及太赫兹频段下的离子掺杂机理；进而采用叠层复合的方式，对介质层组分进行调控，最终在微波频段下实现类金红石体系介电性能的综合优化。论文主要工作如下：
1、探究阳离子有序度对类金红石体系微波介电损耗的影响机制。(1)制备出阳离子有序化占位的锡锰钽矿结构MnO-SnO2-Ta2O5(MST)体系，分析并确定该体系的晶体结构及物相组成特点，进而结合退火工艺调控其阳离子有序度，使体系Qf值提升近60%，通过计算该体系中阳离子有序度的变化，建立其与微波介电损耗的关联机制；(2)在此基础上，结合第一性原理计算，研究该体系基态的能带机构，分析得到过渡金属离子的电子结构是影响体系微波介电损耗的关键因素。
2、结合上述研究中的第一性原理计算结果，分别选取钨锰铁矿结构CuZrNb2O8体系和铌铁矿结构ANb2O6(A=Zn，Co，Mn，Ni)体系，对过渡金属离子与微波介电损耗的关联机制展开研究：(1)基于群论分析，系统探究过渡金属离子Cu2+在晶体结构中的行为，阐明配位环境对其Jahn-Teller效应的抑制作用，建立Cu2+离子的电子结构与体系微波介电性能的关联机制，并预测类金红石体系中的微波磁损耗；(2)基于太赫兹时域光谱分析，探索ABB型铌铁矿结构ANb2O6(A=Zn，Co，Mn，Ni)体系在太赫兹频段的介电响应特性，结合配位化学理论，进一步论证并阐明类金红石体系中的微波磁损耗机制，为低损耗类金红石体系设计提供指导。
3、基于对类金红石体系微波介电损耗机制的认识，对其离子掺杂机理进一步完善。本文选取阳离子占位无序化的类金红石锰钽矿结构ZnTiNb2O8体系进行改性研究，主要包括以下两部分：(1)采用具有3d10电子构型的Ge4+离子进行单一离子掺杂，基于晶体场理论确定其掺杂过程中的占位特点，进而分析晶体结构变化与第二相对于体系微波介电损耗的影响，微量掺杂的Ge4+离子可使原体系Qf值提升近30%；(2)以(AlNb)4+的组合方式进行施受主共掺，采用无d层电子结构的Al3+离子结合Nb5+离子进行电荷补偿，基于复杂化学键计算对掺杂导致的化学键性质变化进行评估，探究该体系在微波及太赫兹频段下的介电损耗机制，并初步建立类金红石体系在太赫兹频段的离子掺杂改性机制。最终，将原体系Qf值提升30%以上，同时在0.5THz下介电损耗低于0.005，吸收系数低于10cm-1，有望满足下一代无源器件对低损耗的应用要求。
4、在ZnTiNb2O8体系Qf值得到优化的基础上，采用金红石相TiO2对其微波介电性能进行综合调控。(1)借助X射线衍射图谱及扫描电子显微镜线扫描模式分析，以烧结温度较低的ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8陶瓷为基体，分别采用随机分布方式和叠层分布方式制备ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8-TiO2复合体系，探究最佳复合方式。(2)进而基于并联分布模型，通过调控介质层组分，探究叠层复合方式下体系微波介电性能的影响机制。(3)最终，ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8-TiO2-ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8体系的最佳微波介电性能为εr=42.1，Qf=51,477GHz，τf=+1.9×10-6/℃。在优化温度稳定性的基础上，叠层复合方式可将随机分布体系的Qf值提升近50%，同时介电常数相比理论值提升近10%，有望满足高性能微波介质谐振器的应用需求，为新一代微波无源器件设计提供支持。
本论文针对微波及太赫兹频段下对无源器件高频化、低损耗的应用要求，选取基于过渡金属离子的类金红石体系，借助电子顺磁共振谱、太赫兹时域光谱、拉曼散射光谱等手段，结合仿真计算，对其晶体结构中第四周期过渡金属离子(包括Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+)进行系统研究，从而探明该体系在微波及太赫兹频段下的介电损耗机理；在此基础上，结合复杂化学键理论计算，完善类金红石体系在微波及太赫兹频段下的离子掺杂机理；进而采用叠层复合的方式，对介质层组分进行调控，最终在微波频段下实现类金红石体系介电性能的综合优化。论文主要工作如下：
1、探究阳离子有序度对类金红石体系微波介电损耗的影响机制。(1)制备出阳离子有序化占位的锡锰钽矿结构MnO-SnO2-Ta2O5(MST)体系，分析并确定该体系的晶体结构及物相组成特点，进而结合退火工艺调控其阳离子有序度，使体系Qf值提升近60%，通过计算该体系中阳离子有序度的变化，建立其与微波介电损耗的关联机制；(2)在此基础上，结合第一性原理计算，研究该体系基态的能带机构，分析得到过渡金属离子的电子结构是影响体系微波介电损耗的关键因素。
2、结合上述研究中的第一性原理计算结果，分别选取钨锰铁矿结构CuZrNb2O8体系和铌铁矿结构ANb2O6(A=Zn，Co，Mn，Ni)体系，对过渡金属离子与微波介电损耗的关联机制展开研究：(1)基于群论分析，系统探究过渡金属离子Cu2+在晶体结构中的行为，阐明配位环境对其Jahn-Teller效应的抑制作用，建立Cu2+离子的电子结构与体系微波介电性能的关联机制，并预测类金红石体系中的微波磁损耗；(2)基于太赫兹时域光谱分析，探索ABB型铌铁矿结构ANb2O6(A=Zn，Co，Mn，Ni)体系在太赫兹频段的介电响应特性，结合配位化学理论，进一步论证并阐明类金红石体系中的微波磁损耗机制，为低损耗类金红石体系设计提供指导。
3、基于对类金红石体系微波介电损耗机制的认识，对其离子掺杂机理进一步完善。本文选取阳离子占位无序化的类金红石锰钽矿结构ZnTiNb2O8体系进行改性研究，主要包括以下两部分：(1)采用具有3d10电子构型的Ge4+离子进行单一离子掺杂，基于晶体场理论确定其掺杂过程中的占位特点，进而分析晶体结构变化与第二相对于体系微波介电损耗的影响，微量掺杂的Ge4+离子可使原体系Qf值提升近30%；(2)以(AlNb)4+的组合方式进行施受主共掺，采用无d层电子结构的Al3+离子结合Nb5+离子进行电荷补偿，基于复杂化学键计算对掺杂导致的化学键性质变化进行评估，探究该体系在微波及太赫兹频段下的介电损耗机制，并初步建立类金红石体系在太赫兹频段的离子掺杂改性机制。最终，将原体系Qf值提升30%以上，同时在0.5THz下介电损耗低于0.005，吸收系数低于10cm-1，有望满足下一代无源器件对低损耗的应用要求。
4、在ZnTiNb2O8体系Qf值得到优化的基础上，采用金红石相TiO2对其微波介电性能进行综合调控。(1)借助X射线衍射图谱及扫描电子显微镜线扫描模式分析，以烧结温度较低的ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8陶瓷为基体，分别采用随机分布方式和叠层分布方式制备ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8-TiO2复合体系，探究最佳复合方式。(2)进而基于并联分布模型，通过调控介质层组分，探究叠层复合方式下体系微波介电性能的影响机制。(3)最终，ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8-TiO2-ZnTi0.97Ge0.03Nb2O8体系的最佳微波介电性能为εr=42.1，Qf=51,477GHz，τf=+1.9×10-6/℃。在优化温度稳定性的基础上，叠层复合方式可将随机分布体系的Qf值提升近50%，同时介电常数相比理论值提升近10%，有望满足高性能微波介质谐振器的应用需求，为新一代微波无源器件设计提供支持。