南科大汪宏課題組在低溫燒結低介低損耗微波介質陶瓷材料取得進展

中國粉體網訊  近日，南方科技大學材料科學與工程系講席教授汪宏課題組在低溫燒結微波介質陶瓷材料研究中取得進展，相關成果在陶瓷材料領域頂尖期刊Journal of the American Ceramics Society上發表。

高性能計算、移動通信、人工智能和汽車電子領域的最新進展導致對具有高性能和集成能力的電子產品的需求不斷增加。隨著移動通信，衛星通信技術的更新迭代，人們對于通信時頻段的要求越來越高。對于高頻應用，低介電常數微波介質陶瓷材料是理想的，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電結構之間產生的寄生電容。另外，介電損耗，是材料內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（即高品質因子）的材料對于高性能和高功率應用是理想的。同時，為了適應可穿戴無線通訊設備和器件多功能集成化的快速發展，以及滿足低溫共燒陶瓷（LTCC）技術的應用要求，陶瓷材料發展的新趨勢需要同半導體、聚合物和金屬共燒，這就要求陶瓷材料具有較低的燒結溫度。因此，制備出能在低溫下燒結，同時具有高品質因數（Qf）的低介電常數微波介質陶瓷材料對于開發下一代高性能電子器件具有重要意義。

本工作系統地研究了MgO-MoO₃二元體系，充分揭示了MgO-MoO₃體系中化合物的相組成、晶體結構、燒結性能和微波性能。該體系可以在685℃至900℃的溫度范圍燒結，并且具有優異的微波介電性能，介電常數為5.41--—6.89，品質因數為100,000—130,000GHz，頻率溫度系數為-40ppm/℃—-70 ppm/℃。此外，以該體系陶瓷為基板，設計并制作了性能優異的微帶貼片天線，表明所開發的陶瓷在微波器件中具有實際應用潛力。

結構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合Match，Endeavour和GSAS軟件，首次得出β-MgMo₂O₇的晶體結構，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的晶體結構以及相變機理。

從陶瓷樣品斷面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中可看到，陶瓷材料在燒結過程中實現致密化，孔隙數量隨燒結溫度的提高而明顯減少。同時，不同燒結溫度下，陶瓷材料的晶粒尺寸，均勻性等微觀結構明顯不同。文中作者詳細討論了陶瓷材料的致密度，微觀結構等對微波介電性能的影響，細致分析了性能–結構關系。

圖2 不同燒結溫度下β-MgMo₂O₇陶瓷的微觀結構和晶粒尺寸分布（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℃的低燒結溫度下實現致密化，Q_f值為125230GHz、ε_r值為6.09和τ_f值為-42ppm/℃。MgMoO₄在900℃下燒結，其Q_f值為118110GHz，ε_r值為6.89，τ_f值為-62.4ppm/℃。MgMo₂O₇-MgMoO₄復合陶瓷在750℃下燒結，Q_f值為107650GHz，ε_r值為5.41，τ_f值為-47.1ppm/℃。與其他典型的低溫燒結微波介質陶瓷相比，所制備的MgO-MoO₃體系陶瓷在燒結溫度和微波性能方面都具有顯著優勢。β-MgMo₂O₇、MgMoO₄和MgMo₂O₇-MgMoO₄陶瓷表現出低的燒結溫度。這種特性對于實際應用是非常理想的，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Q_f值，表明超低的介電損耗，并表現出低的介電常數。這些特性對于天線等電子設備的發展具有重要意義。

（中國粉體網編輯整理/空青）

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