中國粉體網(wǎng)訊 近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系講席教授汪宏課題組在低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料研究中取得進(jìn)展，相關(guān)成果在陶瓷材料領(lǐng)域頂尖期刊Journal of the American Ceramics Society上發(fā)表。
高性能計算、移動通信、人工智能和汽車電子領(lǐng)域的最新進(jìn)展導(dǎo)致對具有高性能和集成能力的電子產(chǎn)品的需求不斷增加。隨著移動通信，衛(wèi)星通信技術(shù)的更新迭代，人們對于通信時頻段的要求越來越高。對于高頻應(yīng)用，低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料是理想的，因為不僅可以減少通訊信號傳輸延遲，還可以最大限度地減少走線和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的寄生電容。另外，介電損耗，是材料內(nèi)部吸收并作為熱量耗散的電磁能量的量度，具有低介電損耗（即高品質(zhì)因子）的材料對于高性能和高功率應(yīng)用是理想的。同時，為了適應(yīng)可穿戴無線通訊設(shè)備和器件多功能集成化的快速發(fā)展，以及滿足低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的應(yīng)用要求，陶瓷材料發(fā)展的新趨勢需要同半導(dǎo)體、聚合物和金屬共燒，這就要求陶瓷材料具有較低的燒結(jié)溫度。因此，制備出能在低溫下燒結(jié)，同時具有高品質(zhì)因數(shù)（Qf）的低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料對于開發(fā)下一代高性能電子器件具有重要意義。
本工作系統(tǒng)地研究了MgO-MoO3二元體系，充分揭示了MgO-MoO3體系中化合物的相組成、晶體結(jié)構(gòu)、燒結(jié)性能和微波性能。該體系可以在685℃至900℃的溫度范圍燒結(jié)，并且具有優(yōu)異的微波介電性能，介電常數(shù)為5.41--—6.89，品質(zhì)因數(shù)為100,000—130,000GHz，頻率溫度系數(shù)為-40ppm/℃—-70 ppm/℃。此外，以該體系陶瓷為基板，設(shè)計并制作了性能優(yōu)異的微帶貼片天線，表明所開發(fā)的陶瓷在微波器件中具有實際應(yīng)用潛力。
結(jié)構(gòu)表征是研究陶瓷材料微波介電性能的一個重要方面。在文中，作者通過粉末衍射法結(jié)合Match，Endeavour和GSAS軟件，首次得出β-MgMo2O7的晶體結(jié)構(gòu)，并通過X射線衍射（XRD），熱重分析（TG）以及能量色散儀譜（EDS）揭示了MgO-MoO3體系中的相變過程。
圖1 β-MgMo2O7、α-MgMo2O7和MgMoO4的晶體結(jié)構(gòu)以及相變機(jī)理。
從陶瓷樣品斷面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中可看到，陶瓷材料在燒結(jié)過程中實現(xiàn)致密化，孔隙數(shù)量隨燒結(jié)溫度的提高而明顯減少。同時，不同燒結(jié)溫度下，陶瓷材料的晶粒尺寸，均勻性等微觀結(jié)構(gòu)明顯不同。文中作者詳細(xì)討論了陶瓷材料的致密度，微觀結(jié)構(gòu)等對微波介電性能的影響，細(xì)致分析了性能–結(jié)構(gòu)關(guān)系。
圖2 不同燒結(jié)溫度下β-MgMo2O7陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸分布（A）650℃；（B）675℃；（C）685℃；（D）700℃；以及MgMoO4陶瓷（E）800℃；（F）850℃；（G）900℃；（H） 950℃。
文中報道的MgO-MoO3體系陶瓷具有出色的微波介電性能。其中，β-MgMo2O7可以在685℃的低燒結(jié)溫度下實現(xiàn)致密化，Qf值為125230GHz、εr值為6.09和τf值為-42ppm/℃。MgMoO4在900℃下燒結(jié)，其Qf值為118110GHz，εr值為6.89，τf值為-62.4ppm/℃。MgMo2O7-MgMoO4復(fù)合陶瓷在750℃下燒結(jié)，Qf值為107650GHz，εr值為5.41，τf值為-47.1ppm/℃。與其他典型的低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷相比，所制備的MgO-MoO3體系陶瓷在燒結(jié)溫度和微波性能方面都具有顯著優(yōu)勢。β-MgMo2O7、MgMoO4和MgMo2O7-MgMoO4陶瓷表現(xiàn)出低的燒結(jié)溫度。這種特性對于實際應(yīng)用是非常理想的，因為它允許在較低的溫度下制造電子器件，最大限度地減少能量消耗并提高制造效率，并且滿足LTCC技術(shù)的要求。此外，陶瓷的微波性能也非常出色。這些陶瓷顯示出超高的Qf值，表明超低的介電損耗，并表現(xiàn)出低的介電常數(shù)。這些特性對于天線等電子設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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