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BiVO4-LaVO4二元体系微波介质陶瓷及其介质谐振器天线研究
发布者: 周迪 | 2024-05-13 | 270

https://mp.weixin.qq.com/s/JJUUAV1j-wLtTlfVOgpPNw

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研究背景

C波段(4 - 8 GHz)介质谐振器天线(DRA)在通信领域享有盛誉,已被广泛应用于卫星电视、雷达、移动通信、电子计算机和现代医学等众多领域,是科研人员重点研究的对象。其中,作为介质谐振器的微波介质陶瓷的选择至关重要。随着电子元器件小型化、高频化、集成化和低成本化的发展,低温共烧陶瓷(LTCC)技术成为实现无源集成的主流策略。因此,微波介质陶瓷在满足合适的εr、高的Q×f和近零的TCF值的同时,还要具备较低的烧结温度(< 960 ºC)以便与金属电极的共烧。单斜白钨矿BiVO4因其结构稳定、烧结温度及成本低和潜在的微波介电性能(εr  ~ 68.00, Q × f ~ 6,800 GHz和TCF ~ − 260.0 ppm/℃)被广泛研究。然而,较大的负值 TCF限制了其在 LTCC 技术中的应用。优化BiVO4陶瓷介电性能的尝试主要集中在通过A位、B位或A / B位取代形成固溶体或与其他端元的混合物。由于相似的离子半径,镧系元素(RE,包括Y3+)被认为是单斜BiVO4中最有前途取代Bi3+的元素。前期研究表明,Ce3+、Nd3+、Y3+离子的A位取代(Bi3+)为设计温度稳定的介质陶瓷提供了两种潜在的思路:复相陶瓷(白钨矿和锆石相)和锆石相固溶体。鉴于此,本工作研究了BiVO4-LaVO4二元介质陶瓷体系的晶体结构、物相演变及其与微波介电性能之间的关系,并探索了该陶瓷体系在C波段介质谐振器天线领域的应用。

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论文摘要

西安交通大学周迪教授团队一直致力于微波介质材料及其器件的研究,近日在Applied Materials Today上发表了题为“A comprehensive study on crystal structure, phase compositions of the BiVO4-LaVO4 binary dielectric ceramic system and a typical design of Dielectric Resonator Antenna for C-band Applications”的学术论文,论文第一作者为吴芳芳博士(现就职于宁夏大学材料与新能源学院),通讯作者为西安交通大学周迪教授和芬兰奥卢大学Heli Jantunen教授。研究表明:组分诱导了单斜白钨矿(m-BiVO4)、四方锆石(zt-(La,Bi)VO4)和单斜独居石(m-LaVO4)之间的相转变,且基于四方结构组成范围内的相变过程对获得高Q×f有着至关重要的作用。在含有锆石相成分范围内,Q×f值明显增加,并在纯锆石相固溶体中(x = 0.5)达到最大值(12,800 GHz),即锆石相结构对本征损耗的影响不容忽视,有利于降低介电损耗。较低的取代离子极化率(La3+ = 6.07 Å3 < 6.12 Å= Bi3+)是主导和影响本征介电常数的主要因素。同时,通过调节Bi3+/La3+的浓度比来调控εr和TCF值,从而获得适当εr和近零TCF值的复合材料或固溶体。此外,设计的BVLO0.5陶瓷圆柱形介质谐振器天线(CDRA)在中心频率(6.73 GHz)处具有较高的模拟辐射效率(99.8 %)和增益(4.58 dBi),表明由于其可调介电常数和低损耗,BVLO0.5微波介质陶瓷在C波段具有潜在的应用价值。

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主要研究内容

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图1.(a)(Bi1-xLax)VO4 (0.05 ≤ x ≤ 0.9)陶瓷的X射线衍射图; (b) (Bi1-xLax)VO(0.05 ≤ x ≤ 0.9)陶瓷的Raman谱图;(c-d)(Bi0.95La0.05)VO4和(Bi0.6La0.4)VO4的Rietveld精修图;(e)(Bi1-xLax)VO4 (0.05 ≤ x ≤ 0.9)体系的伪相图。

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图2. (Bi1-xLax)VO4 (x=0.05和0.1)陶瓷的热膨胀测试及其相变温度随x的变化关系(P.T.=铁弹相变温度)。

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图3. (a)(Bi1-xLax)VO4 (0.05 ≤ x ≤ 0.9)陶瓷的介电常数εr,(b)Q × f,(c)TCF值随x的变化关系。

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图4. (a) (Bi1-xLax)VO(0.05 ≤ x ≤ 0.9)陶瓷的红外反射光谱。(b) (Bi0.5La0.5)VO4陶瓷的复合介电光谱(实线–,圆○和方□分别为微波波段的拟合、实验和测量值)。

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图5. (a)制造圆柱形介质谐振器天线(CDRA)的几何尺寸(单位:毫米),(b)实物图,(c-d)顶部/底部视图,(e)拟建天线的模拟和测量回波损耗|S11|,(f-g)谐振频率为6.73GHz处的电场和磁场的模拟结果,(h-i)CDRA在谐振频率6.73GHz处的共极化和交叉极化的三维模拟辐射图,(j)CDRA的模拟天线辐射效率和增益。

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团队介绍

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周迪,教授、博士生导师、西安交通大学电子科学与工程学院副院长/电子材料党支部书记/多功能材料与结构教育部重点实验室副主任。周迪教授在国际知名期刊发表科技论文300余篇(J Am Ceram Soc、J Eur Ceram Soc、Nature Communications、Adv Funct Mater等),总引用次数14000余次(Google Scholar H-index=65),获得国际衍射数据中心标准X射线衍射卡8项,主持国家自然科学基金、华为公司横向课题等。

 

周迪教授课题组着手于电容器用微波介质及多功能电介质材料,设计并开发新型陶瓷介电材料,包含有机材料、无机材料、有机-无机复合材料等。课题组近期在储能电容器材料、微波介质陶瓷、微波吸收材料等领域取得了一系列新颖的成果:Nature Communications, 2023, 14:5725. (KNN基无铅高储能陶瓷);Energy & Environmental Science, 2023,16, 4511-4521. (超低能量损耗无铅高温介质陶瓷电容器);Advanced Functional Materials, 2023, 33[3], 2210709. (高介低损的新型非钙钛矿弛铁电陶瓷BTWO);Advanced Functional Materials, 2023, 33[15], 2213183. (MXene基透明导电电极涂层);Chemistry of Materials, 2023,35, 104-115(SCNMo微波介质陶瓷);Journal of Materials Chemistry A, 2024, 12, 4057–4066. (新型高性能碳超结构微波吸收剂类壳状碳)。

 

更多内容欢迎访问周迪教授主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220。

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吴芳芳,2023年9月博士毕业于西安交通大学电子科学与工程学院,同年11月入职于宁夏大学材料与新能源学院,主要从事于新型微波介质陶瓷及其器件的开发。以第一作者在国际知名期刊发表科技论文5篇:Chemistry of Materials,2023,35, 104-115(SCNMo微波介质陶瓷);ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 5, 7030-7038(SBN微波介质陶瓷);ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 48897-48906(CNV微波介质陶瓷); Journal of the European Ceramic Society, 2022, 42, 5731-5737 (BVFW微波介质陶瓷); Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9, 9962-9971(SNV微波介质陶瓷)。

更多内容欢迎访问主页:https://smane.nxu.edu.cn/info/1139/3269.htm。

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文章信息

Fangfang Wu, Di Zhou, Chao Du, Di-Ming Xu, et al. A comprehensive study on crystal structure, phase compositions of the BiVO4-LaVO4 binary dielectric ceramic system and a typical design of Dielectric Resonator Antenna for C-band Applications. Appl. Mater. Today. 2024, 38, 102222. 

DOI: 10.1016/j.apmt.2024.102222

 

内容 | 吴芳芳

排版 | 杨柳

编辑 | 李明

审核 | 魏晓勇