由于在相控陣雷達與微波移相器中的重要應用，介電常數能隨外加電場而變化的介電可調材料一直以來被廣泛的研究。包括鐵氧體、鐵電體、液晶、聚合物等多種材料體系都被發現具備介電可調效應。然而，日益發展的通訊技術和雷達系統對于可調材料提出了在可調度、驅動場強、介電常數、介電損耗、響應時間等多個性能指標上更高的要求，目前所研究的材料體系均在不同方面存在各自的短板，難以滿足應用需求。曾被寄予厚望的鈦酸鍶鋇鐵電可調材料，也因為有效可調諧度的不足與較高的損耗，未能在實際器件中得到更進一步的應用——實現介質可調材料的復合優化，探索兼顧大可調度、低驅動場強、低介電損耗的可調材料，一直是該領域內的難點與挑戰。
圖1.(1-x)Bi6Ti5WO22-xBi6Ti4Nb2O22陶瓷的離子取代的設計思路與最終制備效果
針對這一難題，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院周迪教授團隊在此前探索的新型高介低損Bi6Ti5WO22陶瓷體系的基礎之上，通過引入Nb5+離子取代Ti4+/W6+離子，設計并順利制備出組分為(1-x)Bi6Ti5WO22-xBi6Ti4Nb2O22的一系列固溶體陶瓷。這一明智的離子取代設計，實現了對該體系陶瓷晶格常數與納米疇尺寸的連續精準調控，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度（~75.6%）與超低損耗（＜0.002），這一可調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的納米疇和微應變的變化，密度泛函理論模擬計算揭示了離子取代對極化的貢獻。該研究為制備快速響應的高性能鐵電移相器提供了一種理想的替代品，也為調節相變溫度以改善介電性能提供了一個通用策略。
圖2.(1-x)Bi6Ti5WO22-xBi6Ti4Nb2O22陶瓷同其他材料體系對比更為優異的介電可調性能
該研究結果以“在低損耗鐵電陶瓷中通過離子取代設計實現超大介電可調度”(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)在線發表。該工作以西安交通大學為唯一通訊單位，電信學部電子學院博士生李睿韜為論文第一作者，電子學院周迪教授、徐諦明助理教授、微電子學院王大威教授和航天學院梁旭教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、陜西省國際合作項目等項目的資助。西安交大國際電介質研究中心、合肥國家同步輻射實驗室、澳大利亞核科學技術組織提供了相關測試表征支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48264-7
原文鏈接：https://eie.xjtu.edu.cn/info/1042/9878.htm
來源：西安交通大學
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