含锂石榴石型微波介电材料的组成设计、结构与性能

To meet the rapid development of high-frequency applications and integration of communication technology, low-firing microwave dielectric materials with low permittivity have been intensively investigated. In this project, based on the crystal chemistry and structure of garnet, cation compositions and occupations are designed firstly with an attempt to block ion migration pathway and avoid Li migration. Then, a series of Li-containing garnets materials will be synthesized and prepared, and their crystal structure, electronic structure, stability of microstructure, order-disorder transition and dielectric properties are systematically investigated. The relationships among the compositions, structure and dielectric/ionic conductive properties will be discussed. These studies will provide theoretical and experimental basis for the selection and properties optimization of novel low-k and low-sintering temperature microwave dielectrics materials with garnet structure, which also do help to explore novel Li-containing ionic conductive oxide and other kind of functional materials.

随着现代通信技术向高频化、集成化方向发展，低介电常数、低烧结温度微波介电材料成为了目前国内外电介质材料领域中的研究热点之一。本项目拟根据石榴石的晶体结构特征，首先进行阳离子组成与占位设计以避免Li离子迁移和堵塞的离子迁移通道，制备系列不同Li含量与占位的石榴石结构化合物与致密的体材料，系统开展结构（晶体结构、电子结构与微结构）及稳定性、有序-无序相变特性与介电性能研究，期望揭示材料组成、结构与性能（介电或离子导电）之间内在关联及机制，从而为可低温烧结的低介电常数石榴石结构微波介电材料新体系的选择与性能优化提供理论依据和实验基础，同时对于锂离子导体与其它含锂功能材料的探索也有借鉴意义。

随着现代通信技术向高频化、集成化方向发展，低介电常数、低烧结温度微波介电材料成为了目前国内外电介质材料领域中的研究热点之一。本项目根据石榴石的晶体结构特征，设计制备了系列不同Li含量与占位的石榴石结构化合物与致密的体材料，利用XRD、中子衍射、扫描电镜、拉曼光谱、远红外反射谱、光电子能谱、交流阻抗谱、磁学测量系统等测试分析方法，研究了其组成、烧结特性、晶体结构、振动光谱与微波介电性能之间的关系。在Li完全填满C位的Li3Nd3W2O12和Li3A3Te2O12 (A=Y,Yb)及缺Li的Ca3B2GeV2O12 (B=Mg,Mn)石榴石体系中，发现它们具有较低的介电常数εr、较高的品质因数Q×f值，但谐振频率温度系数τf值仍为较大的负值；另外富Li的体系可与Ag电极低温共烧，在LTCC技术领域具有应用前景。在部分Li+占据B位的Ca3-xMg1+xLiV3O12体系中，发现离子半径较小的阳离子Mg2+进入石榴石结构中较大的A位可产生“跳动”（rattling）效应，导致总的离子极化率增大和εr偏离理论估算值，τf由负值向正值转变，并且导致结构不稳定性和Q×f值明显降低，因此我们首次提出了rattling效应是影响低εr微波介质材料τf与Q×f值的一种新机制。另外，对晶体结构中同样存在八面体和四面体骨架结构的Li基尖晶石结构、Li基岩盐结构、Ge基橄榄石结构、Li基以及超低温Te基系列化合物中探索出一系列低介电常微波介质陶瓷新体系，在5G基站材料和LTCC技术等领域具有应用前景。目前以通讯作者或第一作者在Journal of the European Ceramic Society，Ceramics International，Journal of Alloys and Compounds等发表基金第一标注资助SCI收录论文11篇，申请中国发明专利1件。