Zn2GeO4低介电常数微波介质材料的改性研究

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微波介质陶瓷(MDCs)是无线通信设备中的关键无源元件,具有低成本、高稳定性、高效率以及易用性的优势。MDCs的关键品质因数是合适的相对介电常数(εr),高品质因数(Q×f)和谐振频率温度系数(τf)。然而,相关的研究已经证明这三个参数之间相互制约,能同时满足这三个特性的最佳MDCs十分有限。因此,研究性能优异的微波介质陶瓷材料以改进和提升材料功能具有重要意义。近年来,物联网(IoT)的不断发展和第五代移动通信网络(5G)为MDCs的研究和发展提供了强大的驱动力。A2BO4型硅锌矿因其超高Q×f值和低的相对介电常数而被积极研究,广泛应用于微波通信领域。论文围绕Zn2GeO4低介电常数微波介质陶瓷,通过A/B位掺杂、添加烧结助剂降低烧结温度等方面展开研究。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)以及Rietveld精修等探究其物相组成、晶体结构、微观形貌和致密度等对介电性能的影响。主要研究结果:(1)运用传统固相烧结法制备一系列Zn2+0.5xGe1-xGaxO4(0.1≤x≤0.4)陶瓷,XRD图和拉曼光谱表明,Ga对Ge的适度掺杂,可以抑制不利于介电性能的ZnO相存在,在x=0.1、0.2组分表现为Zn2GeO4主相,x=0.3、0.4主相表现为ZnGa2O4相以及衍射峰的偏移表明Ge4+和Ga3+之间相互融合,拉曼光谱强度的变化也反映了ZnGa2O4/Zn2GeO4用量的增加/减少,这与XRD结果一致。Ga对Ge的适度取代诱导出低损耗ZnGa2O4相,这在XRD、SEM和拉曼光谱分析中得到了证实。随着掺杂含量的增加,ZnGa2O4相的相百分比增加,并在x=0.3之后成为主导(~69%)。基于混合规则,相对介电常数和品质因数都有所提高,在x=0.4组合中,可以获得εr~9.4、Q×f~97000 GHz和τf~-30.7 ppm/℃的介电性能组合,这与ZnGa2O4相对于Zn2GeO4具有更优越的优越介电性能有关。(2)采用传统固相烧结法制备一系列Zn2-xCuxGeO4(0.02≤x≤0.08)陶瓷,XRD图、Rietveld精修表明,掺杂量x=0.02时主相是Zn2GeO4,但是出现少量第二相ZnO,随着掺杂量x增加,生成纯Zn2GeO4相,表明一定量的Cu2+掺杂量能够抑制第二相ZnO的产生。在x=0.08时掺杂量达到固溶极限,因为x>0.08时,在2θ=35.7°出现CuZnGeO4相。陶瓷样品SEM测试结果表明,CuO降低陶瓷烧结温度显著同时对陶瓷晶粒生长以及致密度有一定的帮助和改善,可以认为CuO是一种较好的烧结助剂。烧结温度在1010℃,掺杂量x=0.08时,陶瓷介电性能最佳:εr~7.47、Q×f~56976GHz和 τf~13.88 ppm/℃。(3)通过传统固相烧结法制备一系列Zn1.92Cu0.08GeO4-y wt%B2O3(0.25≤y≤1)陶瓷并研究添加Zn1.92Cu0.08GeO4-0.5wt%B2O3陶瓷与Ag电极的相容性。XRD图表明,生成相为Zn2GeO4纯相且没有其他第二相生成。SEM图表明B2O3作为烧结助剂可以降低陶瓷烧结温度,低温下晶粒尺寸相比纯相Zn1.92Cu0.08GeO4陶瓷要小,同时认为在添加B2O3的Zn1.92Cu0.08GeO4陶瓷中形成了液相。液相环境烧结会影响陶瓷致密度,液相烧结过程中适量液相存有利于改善介电常数εr、品质因数Q×f。Zn1.92Cu0.08GeO4-0.5wt%B2O3陶瓷在940℃下烧结,表现出良好的微波介电性能:εr~7.46、Q×f~107415 GHz 和τf~-25.3 ppm/℃。在 940℃下,Zn1.92Cu0.08GeO4-0.5wt%B2O3陶瓷可以与Ag共烧,通过XRD、SEM和EDS测试手段表明共烧不与Ag发生化学反应,表明Zn1.92Cu0.08GeO4-0.5wt%B2O3陶瓷在现实中可能作为LTCC应用,作为LCTT基板候选材料同时具有较好的介电性能可以用作探索设计LTCC滤波器的材料。
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