Sm摻雜對Ba4La19.33Ti18O54陶瓷結(jié)構(gòu)和介電性能的影響分析

婁本濁

(陜西理工學院物理系 陜西漢中 723003)

Sm摻雜對Ba4La19.33Ti18O54陶瓷結(jié)構(gòu)和介電性能的影響分析

婁本濁

(陜西理工學院物理系 陜西漢中 723003)

主要研究了不同Sm摻雜濃度對Ba4La19.33Ti18O54陶瓷的微波介電性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。首先利用常規(guī)固相反應技術(shù)制備了Sm含量y分別為0、0.1、0.3、0.5和0.7的5種Ba4(La1-ySmy)9.33Ti18O54陶瓷樣品;室溫下在0.3～3.0 GHz頻率范圍內(nèi),利用網(wǎng)格分析儀測量了這些樣品的介電常數(shù)和介電損耗因子;結(jié)果表明隨著Sm摻雜含量的增大,樣品介電損耗明顯減小,而介電常數(shù)只有微小減少。當Sm摻雜含量y=0.5時,樣品的介電性能最好。此外,還利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡研究了樣品的微觀結(jié)構(gòu)及隨微波介電性能的變化。

微波介電陶瓷 介電性能 微觀結(jié)構(gòu) 摻雜陶瓷

前言

隨著移動通信的快速發(fā)展,對制作諧振器、帶通濾波器以及雙工器等器件且具有高介電常數(shù)、低介電損耗和高品質(zhì)因子的高質(zhì)量微波介電陶瓷的需求越來越迫切,因此基于Ba-R2O3-TiO2(R代表稀土元素,如Sm、Nd、Pr、La等)三元系統(tǒng)的陶瓷引起廣泛關(guān)注[1～3]。有關(guān)研究[4]表明,在該陶瓷體系中Ba6-3xR8+2xTi18O54陶瓷介電常數(shù)相對較高。這是因為Ba6-3xR8+2xTi18O54固溶體具有正交對稱鎢青銅型結(jié)構(gòu),即[R8+2xBa2-3x]A1[Ba4]A2[V4]CTi18O54,其中V表示空位,A 1位表示菱形結(jié)構(gòu),A 2位表示五邊形結(jié)構(gòu)、C位表示三角形結(jié)構(gòu)。三種具有不同直徑的陽離子占據(jù)著不同位,中間尺寸的R離子主要占據(jù)A 1位,最大的Ba離子占據(jù)A 2位和A 1位,最小的Ti離子只占據(jù)B位。當x=2/3時,R離子和Ba離子分別占據(jù)A 1位和A 2位,從而使陶瓷具有了最低介電損耗[5];當R為La且x=2/3時,所獲得Ba4La19.33Ti18O54陶瓷具有最高的介電常數(shù),但同時其介電損耗也最大[5]。

筆者的目的就是研究在不引起B(yǎng)a4La19.33Ti18O54陶瓷介電常數(shù)巨大變化的基礎(chǔ)上明顯降低陶瓷的介電損耗。由于Sm置換Nd可以有效降低鈦酸釹鋇的損耗,故在此以Sm置換La為基礎(chǔ)來研究Ba4La19.33Ti18O54陶瓷介電性能最佳方案及其微觀結(jié)構(gòu)。

1 實驗

以BaO(99.5%)、La2O3(99.9%)、Sm2O3(99. 9%)和TiO2(99.5%)等高純度氧化物粉末為原料,利用傳統(tǒng)固相反應級數(shù)合成了Sm摻雜含量(y)分別為0、0.1、0.3、0.5和0.7的5種Ba4(La1-ySmy)9.33Ti18O54陶瓷樣品。將原料按相應化學配比進行混合、研磨、干燥、焙燒等過程后,加入3%有機粘合劑聚乙烯醇,再經(jīng)過篩后壓制成不同形狀的球團。于1 200℃下將這些球團在程控加熱爐燒結(jié)2 h,最后用細金剛砂紙將燒結(jié)樣品進行拋光,使其表面光滑,以利于測量。

利用X射線衍射儀(Philips,PWQ 1729型)對燒結(jié)樣品進行物相組成分析,衍射儀的2θ掃描范圍為20～80°;根據(jù)所得樣品衍射圖樣,利用最小二乘法計算樣品的晶格參量;當樣品晶粒尺寸足夠大時,層間距的η利用下式計算:η=β/2 tanθ(1)其中β為半高寬。樣品的體密度利用液體置換法進行測量;微觀結(jié)構(gòu)利用掃描電鏡(JEOL,JSM 6100型)觀測;室溫下在0.3～3.0 GHz,利用網(wǎng)絡(luò)測試分析儀測量樣品的介電常數(shù)和介電損耗。

2 結(jié)果與討論

圖1給出的是不同Sm摻雜下的Ba4La19.33Ti18O54陶瓷樣品的XRD圖譜。從該圖譜可以看出樣品為鎢青銅型化合物,這與以前報道的Ba4La8Ti17O50的結(jié)構(gòu)相吻合。根據(jù)圖中所有衍射峰的標識可知,當y< 0.5時,樣品沒有第二相存在;而當y=0.7時,圖中所有衍射峰Ba4La8Ti17O50與鎢青銅結(jié)構(gòu)相匹配。

圖1 Ba4(La1-ySmy)9.33Ti18O54陶瓷樣品的XRD圖譜

從表1可以看出隨著Sm含量的增大,晶格參數(shù)逐漸減小,其中c軸方向每波長減小率為2.32%,b軸方向每波長減小率為1.29%,a軸方向每波長減小率為1.13%,即c軸方向減小最大,a軸方向減小最少。這是因為菱形位和五邊形位沿c軸重復堆積才產(chǎn)生了晶格參數(shù)的長度,而La離子和Sm離子的有效離子半徑分別為1.36×10-10m和1.24×10-10m,2種離子的半徑差異直接影響著晶格參數(shù)。

圖2 單位晶胞體積隨Sm含量的變化

單位晶胞體積隨Sm含量的變化如圖2所示。燒結(jié)樣品斷裂表面如圖3所示。該組照片表明樣品具有低孔隙度和密堆積六方晶粒的致密微觀結(jié)構(gòu),且隨著Sm含量增大,平均粒徑尺寸沒有明顯變化。

圖3 不同Sm含量情況下的Ba4(La1-ySmy)9.33Ti18O54陶瓷SEM圖像(a:y=0.3;b: y=0.7)

表1 晶格參數(shù)隨Sm含量的變化

Ba4(La1-ySmy)9.33Ti18O54陶瓷的體積密度隨Sm含量的變化關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出,陶瓷樣品的體積密度與Sm含量呈線性關(guān)系,且體積密度大于5.0 g/E;當y=7時得到最大體積密度為5.45 g/E。

在室溫下,陶瓷樣品的介電常數(shù)和損耗因子隨頻率的變化關(guān)系分別如圖5和圖6所示。當頻率為3 GHz時,隨著Sm含量的增大,介電常數(shù)從93.04減小到81.02,而損耗因子從0.1659減小到0.012。晶體結(jié)構(gòu)嚴重影響著固溶體的介電特性。晶格常數(shù)的減小導致了Ti離子占據(jù)B位的收縮,進而Ti離子到八面體中心的位移變得更小,因此介電常數(shù)和節(jié)電損耗都減少。而且介電常數(shù)的變化也取決于R離子的極化率[5],即隨著R離子的極化率的減小而降低。由于Sm的極化率低于La的極化率,隨著Sm置換La逐漸增大,介電常數(shù)也隨之降低。 Ohsato[5]指出由于內(nèi)應變較弱,Ba離子和R離子間尺寸相差較大的晶體結(jié)構(gòu)具有較高的品質(zhì)因子。圖7表示的是內(nèi)應變隨Sm濃度的變化關(guān)系。從圖7可以看出隨著Sm濃度的增大,內(nèi)應變逐漸減小,故而損耗因子也隨之減小。

圖4 體積密度與Sm含量的關(guān)系曲線

圖5 介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系

圖6 損耗因子隨頻率的變化關(guān)系

圖7 內(nèi)應變與Sm濃度的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

通過對不同Sm摻雜含量Ba4(La1-ySmy)9.33Ti18O54陶瓷樣品研究表明,在3.0 GHz頻率下且摻雜含量y在0～0.7時,樣品的介電常數(shù)為93.03～81.02,并隨y的增大有輕微減少;而介電損耗為0.165 9～0. 012,也隨y的增大而急劇減小。這說明Sm摻雜能夠有效降低介電損耗,而對介電常數(shù)的影響很小。當y為0.5時,在室溫下測得樣品的介電常數(shù)為83.3,介電損耗為0.021,此時樣品微波介電性能最佳。

1 童盛,凌志遠,郭棟,等.高頻電介質(zhì)新材料Ba2Ti3Nb4O18陶瓷.電子元件與材料,2007,26(7):42～45

2 Kaur D,Narang SB,Singh K.Synthesis and characterization of Ba6-3xSm8+2xTi18O54microwave dielectric ceramics. Ceram Inter,2007,33(2):249～253

3 Bahel S,Narang SB,Kaur D.Synthesis and microwave characterization of Bi-substituted barium lanthanum titanate. Journal of Ceramic Processing Research,2007,8(5):301～304

4 Ohsato H,Ohhashi T,Nishigaki S,et al.Formation of solid solution of new tungsten bronze-type microwave dielectric compounds Ba6-3xR8+2xTi18O54(R=Nd and Sm).Jpn J App l Phys,1993,32(4):323～4 326

5 Ohsato H.Science of tungstenbronze-type like Ba6-3xR8+2xTi18O54(R:rare earth)microwave dielectric solid solutions.J Eur Ceram Soc,2001,21:2 703～2 711