南科大汪宏课题组在低温烧结低介低损耗微波介质陶瓷材料取得进展

近日，南方科技大学材料科学与工程系讲席教授汪宏课题组在低温烧结微波介质陶瓷材料研究中取得进展，相关成果在陶瓷材料领域顶尖期刊Journal of the American Ceramics Society上发表，论文题目为“Crystal structure and phase formation of MgO-MoO3 based ceramics with ultralow dielectric loss：A comprehensive study”。

高性能计算、移动通信、人工智能和汽车电子领域的最新进展导致对具有高性能和集成能力的电子产品的需求不断增加。随着移动通信，卫星通信技术的更新迭代，人们对于通信时频段的要求越来越高。对于高频应用，低介电常数微波介质陶瓷材料是理想的，因为不仅可以减少通讯信号传输延迟，还可以最大限度地减少走线和导电结构之间产生的寄生电容。

另外，介电损耗，是材料内部吸收并作为热量耗散的电磁能量的量度，具有低介电损耗（即高品质因子）的材料对于高性能和高功率应用是理想的。同时，为了适应可穿戴无线通讯设备和器件多功能集成化的快速发展，以及满足低温共烧陶瓷（LTCC）技术的应用要求，陶瓷材料发展的新趋势需要同半导体、聚合物和金属共烧，这就要求陶瓷材料具有较低的烧结温度。因此，制备出能在低温下烧结，同时具有高品质因数（Qf）的低介电常数微波介质陶瓷材料对于开发下一代高性能电子器件具有重要意义。

本工作系统地研究了MgO-MoO3二元体系，充分揭示了MgO-MoO3体系中化合物的相组成、晶体结构、烧结性能和微波性能。该体系可以在685℃至900℃的温度范围烧结，并且具有优异的微波介电性能，介电常数为5.41­­—6.89，品质因数为100,000—130,000 GHz，频率温度系数为-40ppm/℃—-70 ppm/℃。此外，以该体系陶瓷为基板，设计并制作了性能优异的微带贴片天线，表明所开发的陶瓷在微波器件中具有实际应用潜力。

结构表征是研究陶瓷材料微波介电性能的一个重要方面。在文中，作者通过粉末衍射法结合Match，Endeavour和GSAS软件，首次得出β-MgMo2O7的晶体结构，并通过X射线衍射（XRD），热重分析（TG）以及能量色散仪谱（EDS）揭示了MgO-MoO3体系中的相变过程。

图1β-MgMo2O7、α-MgMo2O7和MgMoO4的晶体结构以及相变机理。

从陶瓷样品断面的扫描电子显微镜（SEM）图像中可看到，陶瓷材料在烧结过程中实现致密化，孔隙数量随烧结温度的提高而明显减少。同时，不同烧结温度下，陶瓷材料的晶粒尺寸，均匀性等微观结构明显不同。文中作者详细讨论了陶瓷材料的致密度，微观结构等对微波介电性能的影响，细致分析了性能–结构关系。

图2 不同烧结温度下β-MgMo2O7陶瓷的微观结构和晶粒尺寸分布（A）650℃；（B）675℃；（C）685℃；（D）700℃；以及MgMoO4陶瓷（E）800℃；（F） 850℃；（G） 900℃；（H） 950℃。

文中报道的MgO-MoO3体系陶瓷具有出色的微波介电性能。其中，β-MgMo2O7可以在685℃的低烧结温度下实现致密化，Qf值为125230GHz、εr值为6.09和τf值为-42ppm/℃。MgMoO4在900℃下烧结，其Qf值为118110GHz，εr值为6.89，τf值为-62.4ppm/℃。MgMo2O7-MgMoO4复合陶瓷在750℃下烧结，Qf值为107650GHz，εr值为5.41，τf值为-47.1ppm/℃。

与其他典型的低温烧结微波介质陶瓷相比，所制备的MgO-MoO3体系陶瓷在烧结温度和微波性能方面都具有显著优势。β-MgMo2O7、MgMoO4和MgMo2O7-MgMoO4陶瓷表现出低的烧结温度。这种特性对于实际应用是非常理想的，因为它允许在较低的温度下制造电子器件，最大限度地减少能量消耗并提高制造效率，并且满足LTCC技术的要求。此外，陶瓷的微波性能也非常出色。这些陶瓷显示出超高的Qf值，表明超低的介电损耗，并表现出低的介电常数。这些特性对于天线等电子设备的发展具有重要意义。

图3 MgO-MoO3体系陶瓷的微波介电性能

图4 影响β-MgMo2O7（A，B）和MgMoO4（C，D）陶瓷微波介电性能的因素

图5 文献中报道的与此研究制备的陶瓷材料的最佳烧结温度和微波介电性能对比图 

微带贴片天线由于其低成本、小尺寸和易于制造而成为无线通信的常用器件。文中作者使用了β-MgMo2O7和MgMoO4陶瓷作为基板材料设计和制造了两种微带贴片天线。这两种天线都表现出优异的天线性能，S11值低于-30 dB，增益在5.8 GHz时超过6 dB。此研究制备的基于MgO-MoO3体系的低温烧结微波介电陶瓷有望满足目前高频段无线通信技术对低介电常数，低损耗介质基板材料的迫切需求。

图6 微带贴片天线的仿真与测试性能，β-MgMo2O7（B–H）；MgMoO4（C–I）。

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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：南科大汪宏课题组在低温烧结低介低损耗微波介质陶瓷材料取得进展