LaAlO3-SrTiO3微波介质陶瓷的研究

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随着现代通讯技术的快速发展,对各类通讯设备有了更高的要求,这就要求已广泛应用于通讯元器件中的微波介质陶瓷材料具有更高的性能。LaAlO3陶瓷是一种典型的中εr,中Q×f值,具有优良介电性能的微波介质陶瓷材料;然而单晶LaAlO3陶瓷依然存在εr偏低,τf为负值,烧结温度过高而且烧结温度范围过窄等问题,这限制了其在工业上的推广与应用。本文针对LaAlO3单晶的εr偏低,τf为负值等问题,将SrTiO3和LaAlO3材料进行混合;在确定混合SrTiO3和LaAlO3的比例之后,分别用Pr6O11、Nd2O3、MnCO3对材料进行掺杂,探究不同掺杂量对材料微观结构以及微波介电性能的影响,选择最佳组成与工艺,以达到在降低其烧结温度的同时,进一步优化体系的微波介电性能的目的。首先采用分析纯的La2O3、Al2O3、SrCO3、TiO2为原料,按化学计量数配比配料,先分别合成LaAlO3和SrTiO3烧块,确定最佳的预烧工艺为LaAlO3预烧温度为1200℃大号保温l0h;SrTiO3预烧温度为1150℃,保温6h。接着采用固相法混合LaAlO3和SrTiO3烧块,制备掺杂了0.5wt%Pr6O11的xLaAlO3-(1-x) SrTiO3系微波介质陶瓷,研究发现xLaAlO3-(1-x) SrTiO3形成复合钙钛矿结构的固溶体,随着LaAlO3含量的增加,体系τf向负方向偏移,εr下降,Q×f值先增加后减小;当x=50.82wt%时,在1600℃下烧结的陶瓷样品τf最接近零点,此时最佳综合微波介电性能为εr=37.81, Q×f=36165GHz, τf=0.56ppm/℃。然而,体系Q×f值仍有待提高,便对50.82wt%LaAlO3-49.18wt%SrTiO3掺杂不同含量的Pr6O11,分析不同的掺杂量对其结构与性能的影响。结果表明,Pr6011在高温下,分解成Pr203和02,Pr3+对La3+进行A位取代,形成(Pr, La) AlO3置换型固溶体,引起了晶格畸变,从而降低了材料的烧结温度;释放的02能有效的填补在烧结过程中体系产生的氧空位,减少了材料的内部缺陷。随着Pr6011掺杂量的增加,材料的εr略有下降,Q×f值先增加后减小,τf向正方向偏移。当Pr6O11掺杂量为1 wt%时,在1580℃下烧结的陶瓷样品,具有最佳综合微波介电性能:εr=37.25、 Q×f=42300GHz、τf=0.92 ppm/℃。为进一步降低材料的烧结温度,对50.82wt%LaAlO3-49.18wt%SrTiO3掺杂Nd203,分析不同的掺杂量对其结构与性能的影响。结果表明,掺杂Nd2O3, Nd3+对La3+进行A位取代,形成(La,Nd)AlO3固溶体,能有效地降低烧结温度,材料的εr先增加后减小,Q×f值出现一定程度的下降,而τf向正方向偏移;当Nd203的添加量为3wt%时,在1560℃保温6h烧结的陶瓷样品,具有最佳综合微波介电性能:εr=37.72、Q×f=42300GHz、τf=0.92 ppm/℃。另外,为绑定LAST陶瓷在高温情况下产生的弱束缚电子,进一步提高材料的Q×f值,采用MnCO3掺杂50.82wt%LaAlO3-49.18wt%SrTiO3,分析不同掺杂量对其结构与性能的影响。结果表明,掺杂MnCO3能有效地绑定体系中产生的弱束缚电子,维持体系中Ti3+与Ti4+之间的平衡:但是添加过量的MnCO3引起晶胞的膨胀;且当MnCO3掺杂量为0.3wt%时,材料最佳综合介电性能为εr=40.56、Q×f=43500Ghz、 τf=5.1ppm/℃。
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