低溫?zé)Y(jié)Sn取代Bi-CVG鐵氧體的介電性能研究

李　寧（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西　榆林　719000）

低溫?zé)Y(jié)Sn取代Bi-CVG鐵氧體的介電性能研究

李寧
（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西榆林719000）

摘要：本文利用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備了Snx:Bi-CVG鐵氧體材料，并對(duì)低溫?zé)Y(jié)下的微觀結(jié)構(gòu)及介電性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，組分x=0.4 的Snx:Bi-CVG試樣在1075℃燒結(jié)6h，燒結(jié)體密度達(dá)到最大值，可生成單一石榴石相，且介電性能良好：當(dāng)極化場(chǎng)頻率小于諧振頻率范圍時(shí)，Sn0.4：Bi-CVG試樣的介電常數(shù)ε′在12.6-14.7范圍內(nèi)，當(dāng)極化場(chǎng)頻率大于共振頻率范圍時(shí)，介電常數(shù)ε′在9.7-11.7范圍內(nèi)，介電損耗tgδ大約在2.0×10-4-7.2×10-3范圍內(nèi)變化。

關(guān)鍵字：YIG ;鐵氧體;低溫?zé)Y(jié);介電性能

1　引言

釔鐵石榴石(Y3Fe5O12，簡(jiǎn)稱YIG）鐵氧體材料因其具有優(yōu)良的旋磁性能而廣泛應(yīng)用于諸如環(huán)行器、振蕩器和移相器等微波器件的制造[1]。但是，YIG鐵氧體由于燒結(jié)溫度高（＞1400℃），導(dǎo)致無(wú)法與高導(dǎo)電材料例如Ag-Pd合金（1145℃）實(shí)現(xiàn)共燒。早些一些研究工作者[2--5]通過(guò)添加CaO-V2O5或Bi2O3-CaO-V2O5組分使YIG鐵氧體燒結(jié)溫度從1400℃降低到1100℃。后又有學(xué)者在Bi2O3-CaO-V2O5摻雜的基礎(chǔ)上，研究了添加In2O3的Bi-CVG鐵氧體材料，并發(fā)現(xiàn)在1075℃燒結(jié)溫度下磁性能優(yōu)良[6]。但是In2O3原料價(jià)格昂貴。我們先前研究了SnO2對(duì)Bi-CVG鐵氧體材料微結(jié)構(gòu)及磁性能的影響，獲得優(yōu)良磁性能的石榴石結(jié)構(gòu)材料[7]。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)Sn取代Bi-CVG材料的介電性能和機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步討論。

2　實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)工藝，制備了組分為{Bi0.75Y1.05-xCa1.2+x} [Fe2-xS nx](Fe2.4V0.6)O12(Snx:Bi-CVG）系列鐵氧體材料，其原料為Bi2O3（99.50%）、Fe2O3（99.95%）、CaCO3（99.50%）、V2O5（99.00%）、SnO2（99.99%）、Y2O3（99.95%）。具體工藝如下：將原料按上述化學(xué)計(jì)量（x=0.0, 0.2, 0.3,0.4, 0.5, 0.6）換算配比并進(jìn)行混合球磨；經(jīng)干燥、950℃×4h預(yù)燒后，進(jìn)行二次球磨6h；用PVA(濃度10%）黏合劑對(duì)混干后制備好的粉末進(jìn)行造粒，在40,000N/m2壓強(qiáng)下將混合料壓成16mm×8mm×（1～4）mm薄片，然后在烘箱里100℃干燥2h，并在1000℃～1100℃燒結(jié)6h后，隨爐冷卻。

采用排水法測(cè)量樣品密度ρ；用日本島津XRD－7000S型X射線衍射儀（XRD，Cu Kα，λ=0.154nm）分析樣品的物相組成；采用日本電子（JEOL）JSM－6700F型掃描電鏡(SEM)觀察試樣的微觀形貌；采用AgilentE8362B網(wǎng)絡(luò)分析儀在12～15.2GHz微波范圍內(nèi)測(cè)樣品介電性能。

圖1　Snx:Bi-CVG樣品在不同燒結(jié)溫度下的密度

3　結(jié)果與討論

3.1燒結(jié)性能

圖1為Snx:Bi-CVG試樣的密度隨燒結(jié)溫度的變化關(guān)系。由圖表明，對(duì)于相同組分的樣品密度隨著燒結(jié)溫度升高而逐漸增大，到1075℃后繼續(xù)升高燒結(jié)溫度，其密度值變化不明顯甚至有所減小。因此我們認(rèn)為，Sn摻雜Bi-CVG樣品的燒結(jié)溫度在1075℃較佳。另外，對(duì)于同一燒結(jié)溫度下的樣品密度隨著x值的增大，呈先增大后減小趨勢(shì)。其中，燒結(jié)溫度為1075℃的Sn0.4:Bi-CVG樣品密度值為最大。

3.2XRD分析

不同Sn摻雜量的Bi-CVG樣品在1075℃燒結(jié)溫度下的XRD譜如圖2所示。由圖可知：在該燒結(jié)溫度下，摻雜一定Sn含量(0.2≤x≤0.6)并不會(huì)改變其晶體結(jié)構(gòu)，均可生成單一石榴石相。另外，從圖中可以看出，Sn摻雜量為x=0.4的樣品比其他含量樣品的特征峰更尖銳，強(qiáng)度更強(qiáng)，說(shuō)明成相更完全。

圖2　不同Sn摻雜量(0.2≤x≤0.6)的Bi-CVG樣品在1075℃燒結(jié)溫度下的XRD圖譜

3.3SEM分析

x=0.4的Snx:Bi-CVG試樣在不同燒結(jié)溫度下的微觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，試樣隨著燒結(jié)溫度逐漸升高，其結(jié)晶逐漸完全，晶粒均勻長(zhǎng)大，顯微結(jié)構(gòu)更加致密。但是相比于圖3（d），圖3（e）晶粒出現(xiàn)異常長(zhǎng)大，且尺寸分布不均勻，這可能是試樣過(guò)燒的緣故。因此我們認(rèn)為，x=0.4的Snx:Bi-CVG樣品，其燒結(jié)溫度為1075℃時(shí)較佳。

圖3　x=0.4的Snx:Bi-CVG試樣在不同燒結(jié)溫度下的微觀形貌圖

3.4介電性能

圖4和圖5分別為Sn組分x=0與x=0.4的Snx:Bi-CVG試樣在12～15.2GHz微波頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)ε′和損耗角正切值tgδ隨頻率的變化曲線圖。Snx:Bi-CVG鐵氧體在該頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了諧振峰。這主要是因?yàn)槎嗑袷F氧體在超高頻極化場(chǎng)的介電行為與晶格振動(dòng)緊密相關(guān)，當(dāng)極化頻率達(dá)到晶格振動(dòng)頻率時(shí)，后者試圖打亂極化，故在很窄的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)阻尼諧振，這種阻尼主要是由于石榴石結(jié)構(gòu)的不完善和雜質(zhì)的存在導(dǎo)致的[8-11]。由于Sn4+離子半徑(0.071nm)與取代的Fe3+(0.061nm)半徑不同，導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)略有變化，故諧振峰發(fā)生了平移。

由圖4可以看出，在諧振頻率范圍之外，與未摻雜試樣相比，Sn摻雜Bi-CVG試樣介電常數(shù)ε′略為偏小，但是不明顯。這是因?yàn)樵谖⒉l率下，YIG鐵氧體介電常數(shù)ε′變化主要取決于極化能力更大的Fe2+離子含量變化。本實(shí)驗(yàn)中，由于Sn4+離子取代部分Fe3+離子，這將導(dǎo)致Fe3+離子向Fe2+離子轉(zhuǎn)化的幾率變小，故ε′將隨Fe2+含量降低而略為減小。整體上看，Sn0.4：Bi-CVG樣品的介電常數(shù)ε′在12.6～14.7（極化場(chǎng)頻率小于諧振頻率段時(shí)）和9.7～11.7（極化場(chǎng)頻率大于共振頻率段時(shí)）范圍內(nèi)變化，介電損耗tgδ大約在1.1×10-3～9.2×10-3范圍內(nèi)變化。

4小結(jié)

以Bi2O3、Fe2O3、CaCO3、V2O5、SnO2、Y2O3為原料，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備了Snx:Bi-CVG鐵氧體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，（1）組分x=0.4時(shí)的試樣在1075℃燒結(jié)6h，燒結(jié)體密度達(dá)到最大值，其燒結(jié)溫度可與Ag-Pd合金（1145℃）實(shí)現(xiàn)共燒。（2）在1075℃燒結(jié)溫度下，Bi-CVG樣品摻雜一定Sn含量(0.2≤x≤0.6)并不會(huì)改變其晶體結(jié)構(gòu)，均可生成單一石榴石相。（3）Sn0.4:Bi-CVG試樣在1075℃燒結(jié)后介電性能良好：當(dāng)極化場(chǎng)頻率小于諧振頻率范圍時(shí)，Sn0.4：Bi-CVG試樣的介電常數(shù)ε′在12.6～14.7范圍內(nèi)，當(dāng)極化場(chǎng)頻率大于共振頻率范圍時(shí)，介電常數(shù)ε′在9.7～11.7范圍內(nèi)，介電損耗tgδ大約在2.0×10-4～7.2×10-3范圍內(nèi)變化。

圖4　4　x=0與x=0.4的Snx:Bi-CVG樣品的介電常數(shù)ε′隨頻率的變化曲線

圖5　5　x=0與x=0.4的Snx:Bi-CVG樣品的介電損耗tgδ隨頻率的變化曲線

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作者簡(jiǎn)介：李寧（1985-），男，陜西榆林人，榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教。