西安交大科研人员在介电可调陶瓷领域取得新进展

摘要：

由于在相控阵雷达与微波移相器中的重要应用，介电常数能随外加电场而变化的介电可调材料一直以来被广泛的研究。包括铁氧体、铁电体、液晶、聚合物等多种材料体系都被发现具备介电可调效应。然而，日益发展的通讯技术和雷达系统对于可调材料提出了在可调度、驱动场强、介电常数、介电损耗、响应时间等多个性能指标上更高的要求，目前所研究的材料体系均在不同方面存在各自的短板，难以满足应用需求。曾被寄予厚望的钛酸锶钡铁电可调材料，也因为有效可调谐度的不足与较高的损耗，未能在实际器件中得到更进一步的应用——实现介质可调材料的复合优化，探索兼顾大可调度、低驱动场强、低介电损耗的可调材料，一直是该领域内的难点与挑战。

图1.(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ –xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂陶瓷的离子取代的设计思路与最终制备效果

针对这一难题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队在此前探索的新型高介低损Bi₆Ti₅WO₂₂陶瓷体系的基础之上，通过引入Nb⁵⁺离子取代Ti⁴⁺/W⁶⁺离子，设计并顺利制备出组分为(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ –xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂的一系列固溶体陶瓷。这一明智的离子取代设计，实现了对该体系陶瓷晶格常数与纳米畴尺寸的连续精准调控，成功将陶瓷材料的相变温度点移至室温附近，使得材料的介电可调性能获得了大幅提升。其中，组分为0.7Bi₆Ti₅WO₂₂ -0.3Bi₆Ti₄Nb₂O₂₂的陶瓷在极低电场（1.5kV/mm）下兼具超大的介电可调度（~75.6%）与超低损耗（＜0.002），这一可调度是钛酸锶钡陶瓷的两倍，而损耗仅为其十分之一。中子粉末衍射和高分辨率透射电子显微镜显示了取代引发的纳米畴和微应变的变化，密度泛函理论模拟计算揭示了离子取代对极化的贡献。该研究为制备快速响应的高性能铁电移相器提供了一种理想的替代品，也为调节相变温度以改善介电性能提供了一个通用策略。

图2.(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ –xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂陶瓷同其他材料体系对比更为优异的介电可调性能

该研究结果以“在低损耗铁电陶瓷中通过离子取代设计实现超大介电可调度”(Giant dielectric tunability in ferroelectric ceramics with ultralow loss by ion substitution design)为题，在国际知名期刊《自然通讯》(Nature Communications)在线发表。该工作以西安交通大学为唯一通讯单位，电信学部电子学院博士生李睿韬为论文第一作者，电子学院周迪教授、徐谛明助理教授、微电子学院王大威教授和航天学院梁旭教授为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、陕西省国际合作项目等项目的资助。西安交大国际电介质研究中心、合肥国家同步辐射实验室、澳大利亚核科学技术组织提供了相关测试表征支持。

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