钡锌铌系微波材料微观晶体缺陷与结构和性能相互作用的机理研究

微波材料的发展极大推动了通信器件的微型化和集成化。然而，其性能对过程参数、晶体结构、杂质、化学计量比、微观结构和缺陷等的极其敏感性使得探讨其介电损耗的物理起源和研究其结构与性能之间的相互作用关系变得异常复杂。如何隔离众多影响因素来确切地理解微观晶体缺陷，例如点缺陷和应变等，与微波材料结构和性能之间的相互作用关系是寻找新型微波介电陶瓷、提高已有材料性能及开拓其应用领域的关键。以块状和薄膜钡锌铌系微波材料为研究对象，利用"应变工程"及"离子或中子辐射"方法有目的的引入应变和点缺陷，通过微观晶体缺陷与结构和性能相互关系研究，本项目将：1）揭示微观晶体缺陷（点缺陷和应变）与微波材料结构和性能相互作用机理及其对性能改变的物理本质；2）在不同基体上生长高质量外延薄膜并为微波通讯器件设计提供实验参数和理论指导；3）通过材料设计和过程工艺参数的优化来制备高性能微波介质陶瓷和薄膜。

本项目使用点缺陷工程、现代固态科学理论、先进材料表征技术和微波性能检测技术等基本手段，系统地开展了微波陶瓷晶体缺陷的物理特征及其对高频介电损耗影响的研究工作。项目基本完成了预期目标。例如，揭示了晶体缺陷与微波材料结构和性能相互作用机理及其对性能改变的物理本质；成功地在不同基体上生长了高质量的外延薄膜；通过材料设计和过程工艺参数的优化来制备高性能微波介质陶瓷和薄膜。本人也受邀在2015年第六届海内外中华青年材料科学技术研讨会暨第十五届全国青年材料科学技术研讨会做了关于项目研究进展的特邀报告（Keynote）。项目的主要结论如下：(1) 通过在单相0.7CaTiO3-0.3NdAlO3（CTNA）和Ba(Zn1/3Ta2/3)O3（BZT）中分别添加烧结助剂CuO和CuTa2O6 (CT) 降低烧结温度和缩短烧结时间，同时根据烧结初期不同致密化机制调控微观结构，进而优化微波性能。在此条件下，排除第二相、气孔、晶粒大小的影响，成功地建立离子替代后产生的晶体缺陷与块体微波陶瓷介电损耗的关系。特别需要指出的是，本项目组首次从原子层面清晰地揭示了电子陶瓷中的常用助烧剂CuO在提高烧结致密化的作用机理。相关工作已被在国际材料科学领域具有重要影响的学术期刊Scripta Materialia接受发表。(2) 利用放电等离子烧结技术实现陶瓷的低温烧结，细化陶瓷晶粒，抑制第二相产生，首次成功地制备了具有亚微米结构的（~160-260nm）高致密度BZT和CTNA微波陶瓷块体。此部分研究工作的完成为研究微波陶瓷中的重要基础科学问题，即晶粒大小和晶界对介电损耗的影响研究提供了样板。相关工作已被在国际材料科学领域具有重要影响的学术期刊Scripta Materialia接受发表。(3) 通过A位和B位掺杂及过程工艺参数对单相CTNA和BZT陶瓷结构和性能相互作用影响的系统研究，制备了高性能的CTNA和BZT微波陶瓷。通过向Mg4Ta2O9 掺杂Nb改善其微波性能，并通过退火工艺消除陶瓷中的第二相，成功地制备了低介电常数和极低高频介电损耗的微波陶瓷。(4)利用脉冲激光沉积技术，在不同晶格常数基片上成功地制备了包括BZT和CTNA等在内的高质量的复杂钙钛矿结构薄膜。