中國粉體網(wǎng)訊 介電可調(diào)材料對外部直流電場的調(diào)制響應(yīng)性，因此被廣泛應(yīng)用于鐵電移相器等集成元件中。隨著日益發(fā)展的通訊技術(shù)和雷達(dá)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。
長期以來，鈦酸鍶鋇陶瓷一直被認(rèn)為是最有潛力的可調(diào)材料，然而顯著的介電損耗和高壓驅(qū)動限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此，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)。
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，通過引入離子半徑更大的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。
(1-x) Bi6Ti5WO22-xBi6Ti4Nb2O22 (0≤x≤0.6) 固溶體陶瓷的設(shè)計與表征
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(zhǔn)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(xiàn)。
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。作為一種介電可調(diào)諧材料，它在包括有效可調(diào)諧性在內(nèi)的各項參數(shù)上的超越，使其有望取代BST固溶體陶瓷，推動可調(diào)材料在微波介電和傳感器件中的廣泛應(yīng)用。
該研究結(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。
來源：西安交通大學(xué)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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