中國粉體網(wǎng)訊 由于在相控陣?yán)走_(dá)與微波移相器中的重要應(yīng)用,介電常數(shù)能隨外加電場而變化的介電可調(diào)材料一直以來被廣泛的研究。包括鐵氧體、鐵電體、液晶、聚合物等多種材料體系都被發(fā)現(xiàn)具備介電可調(diào)效應(yīng)。然而,日益發(fā)展的通訊技術(shù)和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于可調(diào)材料提出了在可調(diào)度、驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)、介電常數(shù)、介電損耗、響應(yīng)時(shí)間等多個(gè)性能指標(biāo)上更高的要求,目前所研究的材料體系均在不同方面存在各自的短板,難以滿足應(yīng)用需求。曾被寄予厚望的鈦酸鍶鋇鐵電可調(diào)材料,也因?yàn)橛行Э烧{(diào)諧度的不足與較高的損耗,未能在實(shí)際器件中得到更進(jìn)一步的應(yīng)用——實(shí)現(xiàn)介質(zhì)可調(diào)材料的復(fù)合優(yōu)化,探索兼顧大可調(diào)度、低驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)、低介電損耗的可調(diào)材料,一直是該領(lǐng)域內(nèi)的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。
圖1.(1-x)Bi6Ti5WO22 -xBi6Ti4Nb2O22陶瓷的離子取代的設(shè)計(jì)思路與最終制備效果
針對(duì)這一難題,西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊(duì)在此前探索的新型高介低損Bi6Ti5WO22陶瓷體系的基礎(chǔ)之上,通過引入Nb5+離子取代Ti4+/W6+離子,設(shè)計(jì)并順利制備出組分為(1-x)Bi6Ti5WO22 -xBi6Ti4Nb2O22的一系列固溶體陶瓷。這一明智的離子取代設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)該體系陶瓷晶格常數(shù)與納米疇尺寸的連續(xù)精準(zhǔn)調(diào)控,成功將陶瓷材料的相變溫度點(diǎn)移至室溫附近,使得材料的介電可調(diào)性能獲得了大幅提升。其中,組分為0.7Bi6Ti5WO22 -0.3Bi6Ti4Nb2O22的陶瓷在極低電場(1.5kV/mm)下兼具超大的介電可調(diào)度(~75.6%)與超低損耗(<0.002),這一可調(diào)度是鈦酸鍶鋇陶瓷的兩倍,而損耗僅為其十分之一。中子粉末衍射和高分辨率透射電子顯微鏡顯示了取代引發(fā)的納米疇和微應(yīng)變的變化,密度泛函理論模擬計(jì)算揭示了離子取代對(duì)極化的貢獻(xiàn)。該研究為制備快速響應(yīng)的高性能鐵電移相器提供了一種理想的替代品,也為調(diào)節(jié)相變溫度以改善介電性能提供了一個(gè)通用策略。
圖2.(1-x)Bi6Ti5WO22 -xBi6Ti4Nb2O22陶瓷同其他材料體系對(duì)比更為優(yōu)異的介電可調(diào)性能
研究結(jié)果以“在低損耗鐵電陶瓷中通過離子取代設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超大介電可調(diào)度”(Giant dielectric tunability in ferroelectric ceramics with ultralow loss by ion substitution design)為題,在國際知名期刊《自然通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表。該工作以西安交通大學(xué)為唯一通訊單位,電信學(xué)部電子學(xué)院博士生李睿韜為論文第一作者,電子學(xué)院周迪教授、徐諦明助理教授、微電子學(xué)院王大威教授和航天學(xué)院梁旭教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、陜西省國際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。西安交大國際電介質(zhì)研究中心、合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織提供了相關(guān)測(cè)試表征支持。
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青)
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