西安交通大学周迪教授课题组一直致力于微波介质材料以及低温共烧陶瓷技术的研究。近日，该课题组在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Design of a High-Efficiency and -Gain Antenna Using Novel Low-Loss, Temperature-Stable Li₂Ti_1–x(Cu_1/3Nb_2/3)_xO₃ Microwave Dielectric Ceramics”的研究文章。作者发现利用(Cu_1/3Nb_2/3)⁴⁺复合离子对岩盐结构的Li₂TiO₃进行离子取代改性，可以获得兼具低损耗和高温度稳定性的微波介质陶瓷材料Li₂Ti_0.8(Cu_1/3Nb_2/3)_0.2O₃ (LTCN_0.2)，并通过添加适量助烧剂实现了900℃以下的低温烧结，低温烧结的陶瓷材料LTCN_0.2 + 3 wt.% H₃BO₃表现出优异的微波介电性能(ε_r ~21.0, Q×f ~51,940 GHz and TCF ~ +1.4 ppm/^oC)以及小的密度(~3.44 g/cm³)；利用晶体结构精修、高分辨透射电镜等技术，并结合介电性能测试和远红外光谱的拟合，阐明了晶体结构与性能变化的规律及机制。此外，还研制了原型天线器件，对所开发的高性能微波介质陶瓷材料进行了器件验证。该工作为开发高性能微波介质材料及新型LTCC材料提供了思路。

通过(Cu_1/3Nb_2/3)⁴⁺取代对Li₂TiO₃进行改性获得了高性能的温度稳定型微波介质陶瓷LTCN_0.2。但为了满足小型化和集成化的应用需求，还添加助烧剂H₃BO₃对其进行降温烧结研究。研究结果表明添加H₃BO₃作为烧结助剂可有效降低LTCN_0.2陶瓷的烧结温度至Ag熔点（961 ^oC）以下，并形成致密的微观结构。从图3中可以看到，在860 ℃下烧结2小时的LTCN_0.2 + 3 wt.% H₃BO₃陶瓷可以获得优异的微波介电性能，ε_r ~ 21.0，Q×f ~ 51,940 GHz和近零的TCF值~ +1.4 ppm/^oC（25~85℃），而且在-40 ~ 120℃的宽温度范围内TCF值依然是近零的。最佳烧结温度要比未掺杂的LTCN_0.2陶瓷低280 ^oC，降温烧结效果显著。LTCN_0.2 + 3 wt.% H₃BO₃与Ag在860 ^oC下进行共烧的研究表明，其不会与Ag发生反应，具有良好的兼容性，表明该种陶瓷在LTCC中具有很好的应用前景。此外，对新型高性能的LTCN_0.2 + 3 wt.% H₃BO₃微波介质陶瓷进行仿真，设计了一款具有高辐射效率的贴片天线原型（图4），在无线通信系统中具有良好的应用前景。

Huan-Huan Guo, Mao-Sen Fu, Di Zhou, Chao Du, Peng-Jian Wang, Li-Xia Pang, Wen-Feng Liu, Antonio Sergio Bezerra Sombra, and Jin-Zhan Su, Design of a High-Efficiency and -Gain Antenna Using Novel Low-Loss, Temperature-Stable Li₂Ti_1–x(Cu_1/3Nb_2/3)_xO₃ Microwave Dielectric Ceramics, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13(1), 912–923.

文章第一作者为西安交通大学博士生郭欢欢，通讯作者为西安交通大学周迪教授，更多内容欢迎访问课题组主页

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