研究兴趣(Research Interests)

        1,介电常数k值系列化新型超低温烧结微波介质陶瓷材料。

基础二元相图出发,以低共熔点单相组分为研究基础,根据电价相等、摩尔比匹配方式、按照化学剂量比设计配方,在Bi2O3-MoO3二元体系、Li2O-Bi2O3-MoO3三元体系、Li2O-Bi2O3-MoO3-V2O5四元体系等富铋的多元体系中,研发出涵盖k材料(介电常数<20)、中k材料(介电常数20~45)及高k材料(介电常数>45)的一系列新型超低温烧结(烧结温度<660℃)微波介质陶瓷材料,其烧结温度远远低于常规意义的低温烧结微波介质陶瓷材料(900附近),且部分材料可以与低熔点的贱金属Al共烧匹配,开拓了Al电极在LTCC技术中的应用,并论证了Al电极取代Ag电极的可能性。(D. Zhou, et al., J. Am. Ceram. Soc. 2008, 91(10) 3419; 2009, 92(10) 2242; 2009, 92(12) 2931; 2010, 93(4) 1096; 2010, 93(8) 2147; 2011, 94(2) 348; 2011, 94(3) 802
 
组分
烧结温度(
Al
反应
密度
(g/cm3)
介电常数εr
谐振频率f (GHz)
品质因数Q×f(GHz)
温度系数TCF(ppm/)
Li2MoO4
540
No
2.90 (95.5%)
5.5
13.05
46,000±1000
-160±9
Li2WO4
650
No
4.34 (95.1%)
5.5
15.70
62,000±1000
-140±6
Li3InMo3O12
630
No
4.01 (96.2%)
9.8
15.02
36,000±3,000
-70 ±4
Li2Zn2Mo3O12
630
No
4.27 (96.0%)
11.1
14.63
70,000±5,000
-90±7
Li8Bi2Mo7O28
540
No
4.29 (95.7%)
13.6
9.21
8,000±400
-60±5
Bi2Mo3O12
610
No
5.76 (93.0%)
19
7.58
21,800±800
-210±8
(KBi)1/2MoO4
630
No
4.88 (95.0%)
37
7.50
4,000±300
+120±3
Bi2Mo2O9
620
No
6.25 (96.1%)
38
6.30
12,500±500
+30±3
(LiBi)0.5MoO4
560
Yes
5.48 (96.7%)
44.4
5.52
3,200±300
+250±10
(Li,Bi)(Mo,V)O4
650
No
>95%
81
3.75
8,000±400
-90~+9.7
 
2, ABO4A2+= Ca2+(Li0.5Bi0.5)2+(Na0.5Bi0.5)2+A3+=Bi3+B5+=Nb5+V5+Sb5+Ta5+B6+=Mo6+W6+)型材料铁弹-顺弹相变、反铁电-铁电相变研究及其对性能的影响。
早在1962年,Roth等人就指出低温正交相的α-BiNbO4会在1020以上不可逆地转变成高温三斜相β-BiNbO4,同时伴随着晶胞体积减小,结构更加稳定。我们在实验中发现,由于陶瓷样品中残留应力的存在,当加热到700后,双层键合的[NbO6]铌氧八面体链)逐渐被打开且被一层Bi原子层分开,β-BiNbO4逐渐转变成α-BiNbO4。当热处理温度升高至1020后,相邻的两层[NbO6]又重新键合在一起,α-BiNbO4再次转变成β-BiNbO4。相应的差热分析、热膨胀系数及介电温谱数据均支持这一结果。由此可见,能量与应力变化驱使相邻两层[NbO6]的键合与分离是促使BiNbO4相变发生的主要原因。键合在一起的两层[NbO6]在一定温度区间(700~1020℃)以及较长的保温时间(7001000分钟)下打开,从而推翻传统研究中对BiNbO4相变的认识,对其性能结构研究提供了更加丰富的数据(D. Zhou, et al., Appl. Phys. Lett., 2007, 90(17) 172910近年来BiVO4材料因其优异的介电特性和光催化特性受到广泛关注。一般认为BiVO4材料具有三种不同结构:四方锆石、四方白钨矿及单斜白钨矿结构。单斜白钨矿结构BiVO4255高温下,发生可逆的铁弹-顺弹二阶相变转变成四方白钨矿相。根据Hazen等人在Science上的报道,此相变也可以通过外加应力诱导发生。本论文工作中通过新颖的不等价复合离子取代的方式,将(Li1/2Bi1/2)2+(Na1/2Bi1/2)2+(K1/2Bi1/2)2+复合离子引入八配位环境的A位,将Mo6+离子引入四配位环境的B位,成功地在单斜白钨矿结构中引入较大内应力。随着离子取代量的增加,内应力逐渐增大,晶格结构逐渐从单斜相转变为四方相,从而将铁弹-顺弹相变温度从255逐渐降低到室温附近,形成一系列白钨矿型的新型固溶体,如:(Li0.5xBi1-0.5x)(MoxV1-x)O4(Na0.5xBi1-0.5x)(MoxV1-x)O4(D. Zhou, et al., Acta. Mater., 2011, 59(4) 1502; D. Zhou, et al., J. Mater. Chem., 2011, 21(45) 18412;应国际衍射数据中心ICDD邀请提交新材料的相关结构属性参数。通过原位的变XRD、变温Raman谱以及远红外反射谱表征与分析了其相变机理,在相变点附近组分获得极佳微波介电性能介电常数介于77~82Q×f>8,000 GHz(D. Zhou, et al., Inor. Chem., 2011, 50, 12733。尤其是[(Li0.5Bi0.5)0.098Bi0.902][Mo0.098V0.902]O4组分可以在650烧结致密且在此结温度下与Al、Cu金属电极材料共烧匹配,是具有潜在应用价值的新型高介电常数微波介质材料。
 
BiNbO4低温正交相与高温三斜相空间结构示意图                三斜相BiNbO4生坯的热收缩曲线                                         三斜相BiNbO4生瓷的介电温谱
(Li0.5xBi1-0.5x)(MoxV1-x)O4晶胞参数随组分的变化趋势           典型单斜白钨矿与四方白钨矿结构示意图             LBMV陶瓷与Ag、Al及Cu粉共烧XRD图谱
                            xBi(Fe1/3Mo2/3)O4-(1-x)BiVO4体系微波介电常数随温度的变化趋势 ; xBi(Fe1/3Mo2/3)O4-(1-x)BiVO4体系微波品质因数Qf随温度的变化趋势
3, 应用多层共烧技术制备微波介质电容器及基板天线原型器件。
通过流延的方法制备出Bi2Mo2O9基生带,以贱金属Al作为内电极,通过丝网印刷与叠层的方法制备出层的超低温(645)多层共烧电容器的原型器件(介质单层50 μmAl电极单层12 μm)。通过对其微观结构的扫描电镜二次电子像(SEM)及能谱(EDS分析、室温频谱、低频温谱以及P-E回线的测量,发现流延方法制备加工的Bi2Mo2O9层状样品具备与块材样品相当的介电性能。(D. Zhou, et al., J. Am. Ceram. Soc., 2010, 93(5) 1443此项研究结果进一步拓展Al电极在LTCC领域中的应用,使之取代Ag电极成为可能。尝试使用低温烧结的BiNbO4陶瓷作为基板,通过丝网印刷的方法印制金属天线,设计成二维天线阵列,网络分析仪的实际测量结果显示天线阵列在3.07 GHz的中心频率下其-10 dB衰减带宽达到34 MHz,与HFSS软件仿真结果吻合,(D. Zhou, et al., Mater. Sci. Eng. A, 2007, 460-461, 652)初步探索了高介电常数介质基板材料在微波频段的应用。
                 流延法制备多层共烧电容器制备流程图                                            645oC共烧Bi2Mo2O9基六层电容器(Al作内电极)

4, 高品质因数微波介质陶瓷材料的研发。

在现代通信中,微波介质陶瓷被广泛地应用在谐振器、滤波器、介质基板、介质天线和介质波导回路等领域中。本课题组近年来开发了一系列拥有自主知识产权的低、中、高介电常数的微波介质陶瓷材料体系,性能列表如下:

K12~K15, 40,000 GHz<Qf<50,000 GHz, TCF<±10 ppm/oC, 1250oC <S.T.<1300 oC;

K16~K24, 40,000 GHz<Qf<85,000 GHz, TCF<±10 ppm/oC, 1250oC <S.T.<1350 oC;

K32~K35, 45,000 GHz<Qf<55,000 GHz, TCF<±10 ppm/oC, 1250oC <S.T.<1350 oC;

K43~K45, 30,000 GHz<Qf<45,000 GHz, TCF<±15 ppm/oC, 1350oC <S.T.<1450 oC;

K65~K82, 9,000 GHz<Qf<14,000 GHz, TCF<±15 ppm/oC, 1300oC <S.T.<1400 oC;

 

陶瓷样品宏观图片

研究项目(Research Project)


 

年限

项目名称

项目来源

个人角色

2018-2021

XXXX研究

XXXX项目

负责人

2018-2021

高性能XXXX介质及元器件开发

国家XXXX计划

骨干

2017-2018

XXXX研究

XXXX公司

负责人

2017-2019

Bi基微波介质材料结构-极化机理-介电性能关系研究

自然科学基金委联合基金项目

负责人

2016-2018

微波介质材料结构/性能调控及其应用

西安交大青年教师跟踪项目

负责人

2016-2018

A/B位联合取代白钨矿类微波介质陶瓷结构/性能调控机理研究

陕西省青年科技新星项目

负责人

2013-2015

低烧陶瓷湿化学法合成机理及其微波介电性能研究

自然科学基金委青年基金项目

负责人

2010-2011

XXXX材料研究

XX公司(横向)

负责人

2010-2013

信息功能陶瓷及相关元器件的基础问题研究

973课题

参与

2009-2012

微波介质材料的微结构分析和宽频段介电谱测试分析

自然科学基金面上项目

参与

2006-2008

中高KLTCC微波介质材料与集成技术研究

863课题

参与

2012-2015

量子点敏化太阳能电池的制备、界面态调控及电子注入可调机理

自然科学基金面上项目

参与