Mo基新型LTCC微波介质陶瓷的结构/性能调控基础研究

Based on the MoO3-reached low-firing ceramics in Li2O-Bi2O3-MoO3 ternary system, systemic experimental research and theoretical investigation on several basic scientific problems on regulation of structure and property in the new-type Mo-based LTCC microwave dielectric ceramic systems has been proposed in the present project. Theoretical system of Crystalline structure and low-temperature firing mechanism will be built based on the study of relations between the firing temperature and the chemical bond properties and close-packed structure; The intrinsic dielectric properties and polarization mechanism will be studied by first-principles calculation, far-infrared-THz spectra investigation, and microwave dielectric properties studies; The influence of extrinsic factors on microwave dielectric properties will also be studied. The common and basic key scientific problems such as polarization mechanism, low-temperature firing mechanism, and structure-property relationship, will be solved, and the theoretical results will contribute to the development of new-type Mo-based LTCC microwave dielectric ceramics with high properties (a low firing temperature <900℃, a large range of dielectric permittivity 10~50, a high Qf value >15000GHz, a near-zero temperature coefficient of resonant frequency -30ppm/℃≤TCF≤+30 ppm/℃, and cofired with metal electrodes, such as Al, Ag, or Cu).

本项目以Li2O-Bi2O3-MoO3三元体系中几种富含MoO3的本征低烧陶瓷体系为研究对象，围绕Mo基新型LTCC微波介质陶瓷结构/性能调控相关的若干基础科学问题展开系统的实验研究和理论探讨。通过研究晶体中化学键的性质以及密堆积系数与烧结温度的关系，建立晶体结构-低温烧结机理研究理论体系；通过第一性原理计算、远红外-THz光谱分析、微波介电性能测试三种手段结合，研究材料的本征介电性能以及极化机理问题；研究非本征因素（微观结构）对微波介电性能的影响。项目预期可以解决极化机理问题、低温烧结机理问题、结构与性能关系等几个共性的、基础性的关键科学问题，为实现Mo基新型本征LTCC微波介质陶瓷的高性能化（烧结温度低于900℃，介电常数在10~50范围内可系列化，Qf>15000GHz，-30ppm/℃≤TCF≤+30ppm/℃，可与Al、Ag或Cu电极共烧匹配）提供理论指导，具有重要的科学价值。

本项目的研究目标即开发拥有自主知识产权的Mo基LTCC新材料体系，围绕这一目标做系统的实验研究和理论探讨。从本身具有低烧结温度的富含MoO3的陶瓷材料出发开发新型Mo基LTCC材料，研究其与金属电极的共烧匹配问题，制备工艺对新材料的相结构、微观结构以及微波介电性能的影响问题，以及极化机理问题、低温烧结机理问题等若干基础问题。项目开发了新型Mo基LTCC材料CaMoO4-xY2O3-xLi2O、Bi(Ga1/3Mo2/3)O4、Bi(In1/3Mo2/3)O4、(K0.5La0.5)MoO4、(Li0.5Ln0.5)MoO4等体系；研究了这些新材料体系的制备工艺、相结构、围观形貌、微波介电性能；通过两相复合得到了温度稳定型LTCC新材料CaMoO4-xY2O3-xLi2O，当x=0.306时，该陶瓷材料可以在775oC的超低烧结温度下烧结致密成瓷，其介电常数K=9.5，品质因数Qf=63,240 GHz，谐振频率温度系数TCF值=+7.2ppm/oC；通过远红外反射光谱与介电谱之间的关系分析了Bi(Ga1/3Mo2/3)O4、Bi(In1/3Mo2/3)O4、(K0.5La0.5)MoO4三种新型单相结构微波介质陶瓷的极化机制，研究了其介电性能与晶格振动、离子位移极化之间的关系；研究了(Li0.5Ln0.5)MoO4体系中Ln系元素离子半径与微波介电性能之间的关系，指出Ln系离子半径越大，介电常数越高，Qf值越小，分析了键价对介电常数、TCF等性能参数的影响，表明离子偏离其标准化学电价的程度越高，离子位移极化率越大，因此介电常数越高，但同时介电常数受温度的影响也会较大，因此而产生了较大的TCF值，分析了化学键的性质对烧结温度的影响。