西安交大周迪教授團隊在介電可調(diào)陶瓷領(lǐng)域取得新進展

中國粉體網(wǎng)訊  由于在相控陣雷達與微波移相器中的重要應(yīng)用，介電常數(shù)能隨外加電場而變化的介電可調(diào)材料一直以來被廣泛的研究。包括鐵氧體、鐵電體、液晶、聚合物等多種材料體系都被發(fā)現(xiàn)具備介電可調(diào)效應(yīng)。然而，日益發(fā)展的通訊技術(shù)和雷達系統(tǒng)對于可調(diào)材料提出了在可調(diào)度、驅(qū)動場強、介電常數(shù)、介電損耗、響應(yīng)時間等多個性能指標(biāo)上更高的要求，目前所研究的材料體系均在不同方面存在各自的短板，難以滿足應(yīng)用需求。曾被寄予厚望的鈦酸鍶鋇鐵電可調(diào)材料，也因為有效可調(diào)諧度的不足與較高的損耗，未能在實際器件中得到更進一步的應(yīng)用——實現(xiàn)介質(zhì)可調(diào)材料的復(fù)合優(yōu)化，探索兼顧大可調(diào)度、低驅(qū)動場強、低介電損耗的可調(diào)材料，一直是該領(lǐng)域內(nèi)的難點與挑戰(zhàn)。

圖1.(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ -xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂陶瓷的離子取代的設(shè)計思路與最終制備效果

針對這一難題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團隊在此前探索的新型高介低損Bi6Ti5WO22陶瓷體系的基礎(chǔ)之上，通過引入Nb⁵⁺離子取代Ti⁴⁺/W⁶⁺離子，設(shè)計并順利制備出組分為(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ -xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂的一系列固溶體陶瓷。這一明智的離子取代設(shè)計，實現(xiàn)了對該體系陶瓷晶格常數(shù)與納米疇尺寸的連續(xù)精準調(diào)控，成功將陶瓷材料的相變溫度點移至室溫附近，使得材料的介電可調(diào)性能獲得了大幅提升。其中，組分為0.7Bi₆Ti₅WO₂₂ -0.3Bi₆Ti₄Nb₂O₂₂的陶瓷在極低電場（1.5kV/mm）下兼具超大的介電可調(diào)度（~75.6%）與超低損耗（＜0.002），這一可調(diào)度是鈦酸鍶鋇陶瓷的兩倍，而損耗僅為其十分之一。中子粉末衍射和高分辨率透射電子顯微鏡顯示了取代引發(fā)的納米疇和微應(yīng)變的變化，密度泛函理論模擬計算揭示了離子取代對極化的貢獻。該研究為制備快速響應(yīng)的高性能鐵電移相器提供了一種理想的替代品，也為調(diào)節(jié)相變溫度以改善介電性能提供了一個通用策略。

圖2.(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ -xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂陶瓷同其他材料體系對比更為優(yōu)異的介電可調(diào)性能

研究結(jié)果以“在低損耗鐵電陶瓷中通過離子取代設(shè)計實現(xiàn)超大介電可調(diào)度”(Giant dielectric tunability in ferroelectric ceramics with ultralow loss by ion substitution design)為題，在國際知名期刊《自然通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表。該工作以西安交通大學(xué)為唯一通訊單位，電信學(xué)部電子學(xué)院博士生李睿韜為論文第一作者，電子學(xué)院周迪教授、徐諦明助理教授、微電子學(xué)院王大威教授和航天學(xué)院梁旭教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、陜西省國際合作項目等項目的資助。西安交大國際電介質(zhì)研究中心、合肥國家同步輻射實驗室、澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織提供了相關(guān)測試表征支持。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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