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教授
博士生导师
硕士生导师
电子邮箱：
入职时间：2009-12-31
学历：硕博连读
性别：男
学位：博士
在职信息：在职
毕业院校：西安交通大学
所属院系：电子科学与工程学院
学科：电子科学与技术

科研进展

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招生信息

1，介电常数k值系列化新型超低温烧结微波介质陶瓷材料。

从基础二元相图出发，以低共熔点单相组分为研究基础，根据电价相等、摩尔比匹配方式、按照化学剂量比设计配方，在Bi₂O₃-MoO₃二元体系、Li₂O-Bi₂O₃-MoO₃三元体系、Li₂O-Bi₂O₃-MoO₃-V₂O₅四元体系等富铋的多元体系中，研发出涵盖低k材料（介电常数<20）、中k材料（介电常数20~45）及高k材料（介电常数>45）的一系列新型超低温烧结（烧结温度<660℃）微波介质陶瓷材料，其烧结温度远远低于常规意义的低温烧结微波介质陶瓷材料（900℃附近），且部分材料可以与低熔点的贱金属Al共烧匹配，开拓了Al电极在LTCC技术中的应用，并论证了Al电极取代Ag电极的可能性。（D. Zhou, et al., J. Am. Ceram. Soc. 2008, 91(10) 3419; 2009, 92(10) 2242; 2009, 92(12) 2931; 2010, 93(4) 1096; 2010, 93(8) 2147; 2011, 94(2) 348; 2011, 94(3) 802）

组分	烧结温度（℃）	与Al 反应	密度 (g/cm³)	介电常数ε_r	谐振频率f (GHz)	品质因数Q×f(GHz)	温度系数TCF(ppm/℃)
Li₂MoO₄	540	No	2.90 (95.5%)	5.5	13.05	46,000±1000	-160±9
Li₂WO₄	650	No	4.34 (95.1%)	5.5	15.70	62,000±1000	-140±6
Li₃InMo₃O₁₂	630	No	4.01 (96.2%)	9.8	15.02	36,000±3,000	-70 ±4
Li₂Zn₂Mo₃O₁₂	630	No	4.27 (96.0%)	11.1	14.63	70,000±5,000	-90±7
Li₈Bi₂Mo₇O₂₈	540	No	4.29 (95.7%)	13.6	9.21	8,000±400	-60±5
Bi₂Mo₃O₁₂	610	No	5.76 (93.0%)	19	7.58	21,800±800	-210±8
(KBi)_1/2MoO₄	630	No	4.88 (95.0%)	37	7.50	4,000±300	+120±3
Bi₂Mo₂O₉	620	No	6.25 (96.1%)	38	6.30	12,500±500	+30±3
(LiBi)_0.5MoO₄	560	Yes	5.48 (96.7%)	44.4	5.52	3,200±300	+250±10
(Li,Bi)(Mo,V)O₄	650	No	>95%	81	3.75	8,000±400	-90~+9.7

2, ABO₄（A²⁺= Ca²⁺、(Li_0.5Bi_0.5)²⁺、(Na_0.5Bi_0.5)²⁺；A³⁺=Bi³⁺；B⁵⁺=Nb⁵⁺、V⁵⁺、 Sb⁵⁺、Ta⁵⁺；B⁶⁺=Mo⁶⁺、W⁶⁺）型材料铁弹-顺弹相变、反铁电-铁电相变研究及其对性能的影响。

早在1962年，Roth等人就指出低温正交相的α-BiNbO₄会在1020℃以上不可逆地转变成高温三斜相β-BiNbO₄，同时伴随着晶胞体积减小，结构更加稳定。我们在实验中发现，由于陶瓷样品中残留应力的存在，当加热到700℃后，双层键合的[NbO₆]（铌氧八面体链）逐渐被打开且被一层Bi原子层分开，β-BiNbO₄逐渐转变成α-BiNbO₄。当热处理温度升高至1020℃后，相邻的两层[NbO₆]又重新键合在一起，α-BiNbO₄再次转变成β-BiNbO₄。相应的差热分析、热膨胀系数及介电温谱数据均支持这一结果。由此可见，能量与应力变化驱使相邻两层[NbO₆]的键合与分离是促使BiNbO₄相变发生的主要原因。键合在一起的两层[NbO₆]在一定温度区间（700℃~1020℃）以及较长的保温时间（700℃下1000分钟）下打开，从而推翻传统研究中对BiNbO₄相变的认识，对其性能结构研究提供了更加丰富的数据（D. Zhou, et al., Appl. Phys. Lett., 2007, 90(17) 172910）。近年来BiVO₄材料因其优异的介电特性和光催化特性受到广泛关注。一般认为BiVO₄材料具有三种不同结构：四方锆石、四方白钨矿及单斜白钨矿结构。单斜白钨矿结构BiVO₄在255℃高温下，发生可逆的铁弹-顺弹二阶相变转变成四方白钨矿相。根据Hazen等人在Science上的报道，此相变也可以通过外加应力诱导发生。本论文工作中通过新颖的不等价复合离子取代的方式，将(Li_1/2Bi_1/2)²⁺、(Na_1/2Bi_1/2)²⁺和(K_1/2Bi_1/2)²⁺复合离子引入八配位环境的A位，将Mo⁶⁺离子引入四配位环境的B位，成功地在单斜白钨矿结构中引入较大内应力。随着离子取代量的增加，内应力逐渐增大，晶格结构逐渐从单斜相转变为四方相，从而将铁弹-顺弹相变温度从255℃逐渐降低到室温附近，形成一系列白钨矿型的新型固溶体，如：(Li_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄、(Na_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄等（D. Zhou, et al., Acta. Mater., 2011, 59(4) 1502; D. Zhou, et al., J. Mater. Chem., 2011, 21(45) 18412；应国际衍射数据中心（ICDD）邀请提交新材料的相关结构属性参数）。通过原位的变温XRD、变温Raman谱以及远红外反射谱表征与分析了其相变机理，在相变点附近组分获得极佳微波介电性能（介电常数介于77~82，Q×f值>8,000 GHz）（D. Zhou, et al., Inor. Chem., 2011, 50, 12733）。尤其是[(Li_0.5Bi_0.5)_0.098Bi_0.902][Mo_0.098V_0.902]O₄组分，可以在650℃下烧结致密，且在此结温度下与Al、Cu金属电极材料共烧匹配，是具有潜在应用价值的新型高介电常数微波介质材料。

BiNbO₄低温正交相与高温三斜相空间结构示意图三斜相BiNbO₄生坯的热收缩曲线三斜相BiNbO₄生瓷的介电温谱

(Li_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄中晶胞参数随组分的变化趋势典型单斜白钨矿与四方白钨矿结构示意图 LBMV陶瓷与Ag、Al及Cu粉共烧XRD图谱

xBi(Fe_1/3Mo_2/3)O₄-(1-x)BiVO₄体系微波介电常数随温度的变化趋势； xBi(Fe_1/3Mo_2/3)O₄-(1-x)BiVO₄体系微波品质因数Qf随温度的变化趋势

3, 应用多层共烧技术制备微波介质电容器及基板天线原型器件。

通过流延的方法制备出Bi₂Mo₂O₉基生带，以贱金属Al作为内电极，通过丝网印刷与叠层的方法制备出六层的超低温（645℃）多层共烧电容器的原型器件（介质单层50 μm，Al电极单层12 μm）。通过对其微观结构的扫描电镜二次电子像（SEM）及能谱（EDS）分析、室温频谱、低频温谱以及P-E回线的测量，发现流延方法制备加工的Bi₂Mo₂O₉层状样品具备与块材样品相当的介电性能。（D. Zhou, et al., J. Am. Ceram. Soc., 2010, 93(5) 1443）此项研究结果进一步拓展Al电极在LTCC领域中的应用，使之取代Ag电极成为可能。尝试使用低温烧结的BiNbO₄陶瓷作为基板，通过丝网印刷的方法印制金属天线，设计成二维天线阵列，网络分析仪的实际测量结果显示天线阵列在3.07 GHz的中心频率下其-10 dB衰减带宽达到34 MHz，与HFSS软件仿真结果吻合，（D. Zhou, et al., Mater. Sci. Eng. A, 2007, 460-461, 652）初步探索了高介电常数介质基板材料在微波频段的应用。

流延法制备多层共烧电容器制备流程图 645^oC共烧Bi₂Mo₂O₉基六层电容器(Al作内电极)

4，高品质因数微波介质陶瓷材料的研发。

在现代通信中，微波介质陶瓷被广泛地应用在谐振器、滤波器、介质基板、介质天线和介质波导回路等领域中。本课题组近年来开发了一系列拥有自主知识产权的低、中、高介电常数的微波介质陶瓷材料体系，性能列表如下：

K12~K15, 40,000 GHz<Qf<50,000 GHz, TCF<±10 ppm/^oC, 1250^oC <S.T.<1300 ^oC;

K16~K24, 40,000 GHz<Qf<85,000 GHz, TCF<±10 ppm/^oC, 1250^oC <S.T.<1350 ^oC;

K32~K35, 45,000 GHz<Qf<55,000 GHz, TCF<±10 ppm/^oC, 1250^oC <S.T.<1350 ^oC;

K43~K45, 30,000 GHz<Qf<45,000 GHz, TCF<±15 ppm/^oC, 1350^oC <S.T.<1450 ^oC;

K65~K82, 9,000 GHz<Qf<14,000 GHz, TCF<±15 ppm/^oC, 1300^oC <S.T.<1400 ^oC;

陶瓷样品宏观图片

讲授课程

年限	项目名称	项目来源	个人角色
2018-2021	XXXX研究	XXXX项目	负责人
2018-2021	高性能XXXX介质及元器件开发	国家XXXX计划	骨干
2017-2018	XXXX研究	XXXX公司	负责人
2017-2019	Bi基微波介质材料结构-极化机理-介电性能关系研究	自然科学基金委联合基金项目	负责人
2016-2018	微波介质材料结构/性能调控及其应用	西安交大青年教师跟踪项目	负责人
2016-2018	A/B位联合取代白钨矿类微波介质陶瓷结构/性能调控机理研究	陕西省青年科技新星项目	负责人
2013-2015	低烧陶瓷湿化学法合成机理及其微波介电性能研究	自然科学基金委青年基金项目	负责人
2010-2011	XXXX材料研究	XX公司（横向）	负责人
2010-2013	信息功能陶瓷及相关元器件的基础问题研究	973课题	参与
2009-2012	微波介质材料的微结构分析和宽频段介电谱测试分析	自然科学基金面上项目	参与
2006-2008	中高K值LTCC微波介质材料与集成技术研究	863课题	参与
2012-2015	量子点敏化太阳能电池的制备、界面态调控及电子注入可调机理	自然科学基金面上项目	参与