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研究背景

随着第五代移动通讯技术的全面普及，具有低信号延迟高速传输特点的低介低温烧结微波介质陶瓷成为研究的热点。传统的氧化铝等陶瓷材料烧结温度较高，降温工艺复杂。因此，近年来科研工作者将目光聚集到寻找具有本征低烧结温度的微波介质陶瓷，此类陶瓷在LTCC领域中有较大的应用潜力。利用现有的多元氧化物相图来寻找本征低烧微波介质陶瓷是一种有效的方法。

成果介绍

西安交通大学周迪教授课题组一直致力于低温及超低温烧结微波介质陶瓷材料的研究。近日，课题组在Journal of Materials Chemistry C上发表了题为“Ultra-low temperature co-fired ceramics with adjustable microwave dielectric properties in Na₂O-Bi₂O₃-MoO₃ ternary system: A comprehensive study”的研究文章（2022, DOI: 10.1039/D1TC05557G）。作者以Na₂O-Bi₂O₃-MoO₃三元相图为基础，采用传统固相反应法开发出了x(NaBi)_0.5MoO₄-(1-x)Na₂MoO₄ (x = 0.2 ~ 0.6)，x(NaBi)_0.5MoO₄-(1-x)Bi₂MoO₆ (x = 0.6, 0.8) 和 0.5(NaBi)_0.5MoO₄-0.5Bi₂Mo₂O₉等多种体系的复相微波介质陶瓷。研究发现，除0.5(NaBi)_0.5MoO₄-0.5Bi₂Mo₂O₉发生较为复杂的化学反应外，其它几种组分烧制的陶瓷样品均由两种端点物相组成。作者进一步利用拉曼光谱和远红外反射光谱辅助分析了复相陶瓷的物相组成。远红外反射光谱的拟合数据表明复相陶瓷中的介电极化贡献主要来自于A位阳离子的红外声子振动模式。在这些复相微波介质陶瓷中，0.4(NaBi)_0.5MoO₄-0.6Na₂MoO₄组分可以在620℃下致密烧结，并呈现出良好的微波介电性能：介电常数ε_r = 13.1、品质因数谐振频率乘积Qf = 9,870GHz、谐振频率温度系数t_f = ‒ 8.7ppm/°C；720℃烧结成瓷的0.8(NaBi)_0.5MoO₄-0.2Bi₂MoO₆陶瓷中获得了近零的谐振频率温度系数t_f = ‒2.6 ppm/°C，同时还保持较高的Qf ~ 14,570 GHz; 0.4(NaBi)_0.5MoO₄-0.6Na₂MoO₄微波介质陶瓷可以620℃致密烧结，同时具有良好的微波介电性能：ε_r = 35.7、Qf = 9,870GHz、t_f = +17ppm/°C。

此外，作者系统地总结了Na₂O-Bi₂O₃-MoO₃三元体系中微波陶瓷的介电常数、品质因数和谐振频率温度系数的分布，为后期在该三元体系中选取不同性能的微波介质陶瓷材料打下便利的基础。同时，由于Na₂O-Bi₂O₃-MoO₃三元体系复相陶瓷的烧结温度均处于450~700℃之间，并且容易通过不同物相的复合以及成分调控，可以获得一系列具有良好的微波介电性能的复相陶瓷，并利用Al作为内电极发挥其在LTCC领域的应用。该工作第一作者为西安交通大学电信学部电子科学与工程学院郝澍钊博士（目前就职于广东风华高新科技股份有限公司），通讯作者为电子学院周迪教授及风华高科党明召博士。该工作得到国家自然科学基金、新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室开放课题等项目的资助。