近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所鐵電陶瓷材料與器件課題組研究團(tuán)隊提出了通過設(shè)計容忍因子調(diào)控陶瓷微結(jié)構(gòu)的策略，成功制備了正交相和立方相共存的(Sr,Ca)(Zr,Ti)O₃介質(zhì)陶瓷，大幅提升了材料的品質(zhì)因數(shù)。在正交-立方相變界面處形成的共格相界面，由于應(yīng)變驅(qū)動，共格相界面結(jié)構(gòu)為高有序度的重構(gòu)超晶格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較低的晶格振動非簡諧性。最終獲得線性COG類材料的品質(zhì)因數(shù)為26300GHz，是文獻(xiàn)報道最高值（13600GHz）的兩倍，同時具有近零介電常數(shù)溫度系數(shù)τ_e = -7 ppm/℃（@-55℃~-125℃）。

近年來，衛(wèi)星通訊、5G等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，研制新型MLCC（片式多層陶瓷電容器）用COG類介質(zhì)陶瓷材料，能夠滿足現(xiàn)代通信技術(shù)高頻、小型、低成本的發(fā)展需求。SrZrO₃和CaZrO₃均是具有潛力的MLCC用線性介質(zhì)陶瓷材料，Sr和Ca互相固溶后形成的固溶體(Sr,Ca)ZrO₃具有更高的Q值, 根據(jù)李赫德涅凱對數(shù)混合定則,B位摻雜少量的Ti⁴⁺，可調(diào)節(jié)其介電常數(shù)溫度系數(shù)近0。開發(fā)(Sr,Ca)(Zr,Ti)O₃材料體系可獲得在兩端元系統(tǒng)中無法實現(xiàn)的特性，實現(xiàn)COG類介質(zhì)材料介電常數(shù)系列化，具有生產(chǎn)成本低，強(qiáng)抗還原性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前COG類介質(zhì)陶瓷材料研究的熱點(diǎn)。

團(tuán)隊系統(tǒng)研究了A位非化學(xué)計量比對(Sr,Ca)(Zr,Ti)O₃基陶瓷第二相、氣孔率、晶粒尺寸等非本征因素和晶體結(jié)構(gòu)等本征因素影響規(guī)律。結(jié)合EBSD、Rietveld精修和Raman光譜，得到第二相含量和晶胞參數(shù)、極化率與晶格振動非諧性等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，建立了結(jié)構(gòu)與介電性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律。材料的相對介電常數(shù)取決于其極化率，品質(zhì)因數(shù)受控于主相晶粒尺寸、第二相含量和晶格本征損耗，主要決定于晶格振動的非諧性。該研究為優(yōu)化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷的介電性能提供了重要依據(jù)。

相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C（2022），Ceramics International（2022）。

上述論文的第一作者為上海硅酸鹽所在讀研究生逄清陽，通訊作者為陳瑩高級工程師和王根水研究員。相關(guān)研究工作得到了中科院重點(diǎn)部署項目及企業(yè)橫向相關(guān)項目支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TC03756D

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.037

Sr(Zr_0.95Ti_0.05)O₃陶瓷的(a) TEM明場像，(b)、(c)、(d)和(e)對應(yīng)的高分辨像，(f)和(g)傅立葉變換圖像

(Sr_0.7Ca_0.3)z(Zr_0.95Ti_0.05)O₃(0.98≤z≤1.04)陶瓷的介電特性、Ag峰的拉曼頻移、FWHM、晶格結(jié)構(gòu)a/c與其非化學(xué)計量比z的相互關(guān)聯(lián)圖