科学网—桂林理工大学相怀成/唐莹团队：低损耗有序橄榄石微波介质陶瓷的温度稳定性调控及应用-清华大学出版社学术期刊的博文
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2025-8-14 08:34
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Xiang H, Zhou Y, Chen J, et al. Regulation of the temperature stability in ordered olivine microwave dielectric ceramics with low-loss for dielectric resonant antenna. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221149
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221149
ResearchGate ： Regulation of the temperature stability in ordered olivine microwave dielectric ceramics with low-loss for dielectric resonant antenna
1 、 导读
本文以 A 2 BO 4 型橄榄石陶瓷为研究对象，通过调控键长变化与离子极化，实现了从有序正交橄榄石到无序四方 K 2 NiF 4 结构的演变，显著提升了 谐振频率的温度稳定性并维持了较低的介电损耗 。 通过固相烧结法制备了系列 CaYGa 1- x Al x O 4 ( x = 0–1) 陶瓷，实现了超低介电损耗（ tan δ = 1.38 × 10 -4 , Q×f = 125,530 GHz, f = 17.3 GHz, x = 0 ）和近零的谐振频率温度系数（ τ f = -0.5 ppm/°C, x = 0.9 ）。介电性能的显著变化（ ε r = 8.3–16.2, Q×f = 125,530–50,660 GHz, τ f = -50.9–+2.9 ppm/°C ）主要受离子极化率、离子有序、化学键特性及第二相所影响。此外，基于 CaYGaO 4 陶瓷设计并仿真了介质谐振器天线，在 5.065–5.747 GHz 频段展现高增益（ 5.36–6.15 dBi ）和高效率（ >90% ），为高频通信中高性能微波介质陶瓷的调控及天线设计提供了新策略。
图 1. 文章摘要图
2 、 研究背景
随着 5G/6G 通信技术的迅猛发展，微波介质陶瓷需具备低介电常数（ ε r < 15 ）、高品质因数（ Q×f > 50,000 GHz ）和近零的谐振频率温度系数（ τ f ≈ 0 ppm/°C ），以满足低延迟、低损耗及温度稳定性的需求。橄榄石型 A 2 BO 4 陶瓷以低介电常数和低损耗著称，但其较大的负 τ f 值限制了实际应用。例如， CaMgGeO 4 陶瓷其较大的负 τ f （ -73.7 ppm/°C ）和高成本，阻碍了其推广应用。研究表明，在 CaLnGaO 4 中， Ca 2+ 和 Ln 3+ 半径差增大可促进 A 位有序，且高温下可诱导正交橄榄石结构向四方类钙钛矿结构（ K 2 NiF 4 型， I 4/ mmm ）转变。在 K 2 NiF 4 型结构中，可通过 Al 3+ 取代 Ga 3+ 可形成稳定的 CaLnAlO 4 微波介质陶瓷，其介电常数比橄榄石体系略高（ ε r =17.9–18.9 ）， τ f 可从负值变化到正值（ -12–+6 ppm/°C ），这种变化在橄榄石体系中较为罕见。基于橄榄石和 K 2 NiF 4 陶瓷的结构特性，通过成分与相结构调控，有望在 A 2 BO 4 体系中实现低 ε r 、高 Q × f 和近零 τ f 的统一。
3、 文章亮点
(1) 通过调控正交橄榄石向四方 K 2 NiF 4 结构的演变及 A 位离子有序性，实现超低介电损耗和近零的谐振频率温度系数。
(2) 通过 XRD 、高分辨率透射电镜、拉曼光谱、介电温谱、 Rietveld 结构精修和晶格能等多种表征与分析方法，系统阐明了该体系陶瓷的介电性能变化源于第二相、离子极化、离子有序 / 无序演变及化学键特性的协同作用。
(3) 基于超低损耗 CaYGaO 4 陶瓷设计了介质谐振器天线，在 5.065–5.747 GHz 频段实现高增益（ 5.36–6.15 dBi ）和高辐射效率（ >90% ），为 5G 毫米波通信提供高效可靠的解决方案。
4 、研究结果及结论
CaYGa 1- x Al x O 4 ( x = 0-1) 陶瓷在 0 ≤ x < 0.4 范围内具有正交橄榄石结构，在 0.4 ≤ x ≤ 0.8 内，出现了四方 K 2 NiF 4 相的衍射峰，并且随 x 值的增加衍射峰强度增强，在 x > 0.8 时，形成了纯的四方 CaYAlO 4 相。精修结果同样表明，随 x 的增加，正交橄榄石相比例减少，四方 K 2 NiF 4 相的比例增加，并且晶胞体积逐渐减小。通过扫描电镜（ SEM ）可以更直观的看到两相的变化及晶粒形貌的差别。两种晶体结构差异明显：正交橄榄石由 [CaO 6 ] 、 [YO 6 ] 八面体和 [GaO 4 ] 四面体构成，四方 K 2 NiF 4 相则由 [CaO 9 ] 十二面体和 [AlO 6 ] 八面体组成。由于 Al 3+ 的离子半径较小（ 0.39 Å, CN = 4; 0.535 Å, CN = 6 ），其更倾向于与 6 个氧原子配位形成 [AlO 6 ] 八面体。
图 2. CaYGa 1- x Al x O 4 (0 ≤ x ≤ 1) 陶瓷的 (a) 不同温度烧结 XRD 图， (b-d) 精修结果， (e) 两相比例， (f) 正交橄榄石与四方 K 2 NiF 4 的结构示意图。
图 3. CaYGa 1- x Al x O 4 (0 ≤ x ≤ 1) 陶瓷的 SEM 图及密度变化。
在 CaYGaO 4 陶瓷中观察到明显的超晶格衍射斑点，证实了 Ca 2+ （ 4 a ）和 Y 3+ （ 4 c ）在八面体位点上的有序分布。 CaYGa 0.1 Al 0.9 O 4 ( x = 0.9) 的选区电子衍射模式，表明晶体对称性显著变化，晶格常数演变为 a = b ≠ c ，轴间角保持 90° ， (101) 晶面间距为 3.511 Å ，接近 K 2 NiF 4 结构的理论值。此外，快速傅里叶变换（ FFT ）和反快速傅里叶变换（ IFFT ）图像未显示二次衍射环或缺陷条纹，表明样品具有高结晶质量和结构完整性。
图 4. CaYGaO 4 和 CaYGa 0.1 Al 0.9 O 4 陶瓷的高分辨率透射电镜图。
CaYGa 1- x Al x O 4 (0 ≤ x ≤ 1) 陶瓷的介电常数（ ε r ）随 Al 3+ 取代量从 8.3 增至 16.2 ，计算的 ε r (C-M) 值（ 8.1–16.4 ）与实测值（ 8.3–16.2 ）吻合良好。 CaYGaO 4 和 CaYAlO 4 陶瓷在 30–300 ° C 和 5 kHz–1 MHz 频率范围内的 ε r （ 8.7–16.3 ）略高于微波频段 . 此外， CaYGaO 4 的 ε r 值随温度升高而增大，而 CaYAlO 4 的 ε r 值则呈现相反趋势。 Q × f 值随 x 增加从 125,530 GHz ( x = 0) 降至 49,490 GHz ( x = 0.9) ，后略增至 50,660 GHz ( x = 1) 。 x = 0.9 的最低 Q × f 值可能与相变点附近结构不稳定相关，表明结构演变显著影响介电损耗。正交有序橄榄石结构的 CaYGaO 4 ( x = 0) 展现最高 Q × f 值。在 5 kHz−1 MHz 低频范围内， CaYGaO 4 和 CaYAlO 4 的介电损耗在较低温度下均显示良好稳定性，但 CaYGaO 4 的损耗更低。 τ f 值从 -50.9 ppm/°C ( x = 0) 提升至 +2.9 ppm/°C ( x = 1) ，在 x = 0.9 时接近零 (-0.5 ppm/°C) ，表明通过调控 Al 3+ 掺杂量可精确调控 τ f 。 τ f 与 ε r 变化趋势一致，表明 ε r 是能影响 τ f 的重要因素。 CaYGa 1- x Al x O 4 体系中， τ ε 绝对值远超 α L ，对 τ f 值的主导作用显著。
图 5. CaYGa 1- x Al x O 4 陶瓷的微波介电性能、介电温谱、电阻率及热膨胀数据变化。
基于高 Q×f 值的 CaYGaO 4 陶瓷，设计并仿真了圆柱形介质谐振器天线。结果表明，在 5.33 GHz 处， S 11 值为 -25.8 dB ，回波损耗带宽达 698 MHz (5.065–5.747 GHz) ，并具有高的增益（ 6.79 dBi ）和效率（ >90% ），是 C 波段 5G 通信的优选材料。
图 6. 基于 CaYGaO 4 陶瓷设计并仿真的介质谐振天线性能。
5、 作者及研究团队简介
相怀成（第一作者 / 通讯作者）， 桂林理工大学副教授、硕士生导师。 研究工作涉及低介微波介质陶瓷、电子信息功能材料和高熵陶瓷等领域。主持和参与国家自然科学基金、深圳市自然科学基金、广西自然科学基金和广西科技重大专项等项目 10 余项。以第一或通讯作者在 Journal of Advanced Ceramics 、 Applied Materials Today 、 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 、 Journal of Materials Science & Technology 等期刊发表论文 40 余篇，授权国家发明专利 7 项。担任《 Journal of Advanced Ceramics 》期刊青年编委。
邮箱： xianghc@glut.edu.cn
陈军奇（通讯作者） ，桂林航天工业学院讲师、硕士生导师。主要从事 5G 关键电子材料（微波介质陶瓷）设计与制备、材料的结构与性能调控等研究。主持广西自然科学基金 1 项、广西研究生创新计划项目 1 项，作为主要完成人参与 3 项国家自然科学基金和 4 项广西自然科学基金项目。 以第一或通讯作者在 Journal of the European Ceramic Society 、 Ceramics International 、 Journal of the American Ceramic Society 等期刊发表论文 30 余篇， 申请国家发明专利 10 余项。
邮箱： junqichen1991@163.com
唐莹（通讯作者） ， 桂林理工大学教授、博士生导师。主要研究领域为新型电子信息功能陶瓷材料，专注于微波介质陶瓷材料与元器件的组成设计、结构与介电特性方面的研究工作。获得广西杰出青年基金项目、广西八桂青年拔尖人才培养项目，主持国家自然科学基金项目 2 项（青年、地区各 1 项），以第一发明人获得授权中国发明专利 25 项 ，以第一作者或通讯作者发表论文 30 余篇。
邮箱： tangyinggl001@aliyun.com
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2024 年发文量为 174 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 33 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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