WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Керамические материалы для СВЧ-электроники © Е.А. Ненашева, О.Н. Трубицына, Н.Ф. Картенко, О.А. Усов Научно-исследовательский институт ”Гириконд”, 194223 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: usov@exd.ioffe.rssi.ru Исследованы структура и электрические свойства составов BaLn2Ti4O12 (БЛТ), где Ln = La, Nd, Sm, при замещении бария на кальций, стронций или свинец, а лантаноида — на висмут. Показано, что соединение БЛТ характеризуется широкой областью изоморфизма, на границе которой формируются твердые растворы с наиболее высокой диэлектрической проницаемостью вплоть до величин около 170. На основе твердых растворов БЛТ разработан ряд термостабильных керамических материалов с повышенной диэлектрической проницаемостью от 80 до 120, обеспечивающих получение добротности микроволновых диэлектрических резонаторов от 600 для = 120 и 3000 для = 80 на частоте f = 4GHz.

В настоящее время в связи с интенсивным развитием Sm [4], структурная формула которого с учетом [5] микроволновых средств связи наблюдается значитель- представлена в работе [6] как Ba3.5[Ba1.0Ln9.0][Ti9O27]2.

ный прогресс в области исследований и разработок миПеровскитоподобная структура БЛТ с ромбическим искроволновой керамики, составляющей основу элементов кажением, описанная в [5], содержит элементы, хараки узлов СВЧ-электроники.

терные для кристаллической решетки тетрагональных Основными требованиями к керамическим материавольфрамовых бронз, и характеризуется наличием пулам, используемым в приборах СВЧ-диапазона, являются стот — структурных вакансий в подрешетке бария.

их повышенная диэлектрическая проницаемость при Объяснение сочетания высоких значений соединений близком к нулю ее температурном коэффициенте (ТK) БЛТ при малых и близких к нулю TK, предложени малые диэлектрические потери в широком диапазоне ное в [7], основано на доминирующем вкладе в температур и частот. Увеличение диэлектрической пронизкочастотных колебательных мод. При этом обнаруницаемости керамического материала ведет к уменьшеженное расщепление этих мод и возможная темперанию размеров микроволновых устройств, а следствием турная компенсация диэлектрических вкладов компоснижения диэлектрических потерь является повышение нентов подобного расщепления может объяснить повыих добротности (Q 1/ tg ).

шенную температурную стабильность материалов на Керамические материалы на основе системы окcидов основе БЛТ.

бария, титана и редкоземельных элементов (РЗЭ), опиРезультаты исследований диэлектрических спектров санные в ряде работ [1–3], отличаются уникальным сосоединений БЛТ [7,8] показали отсутствие дисперсии четанием высокой диэлектрической проницаемости при близком к нулю TK и малых диэлектрических потерь в в широком диапазоне частот вплоть до субмиллишироком интервале температур и частот. метрового диапазона. Указанные особенности выделяют Основу таких материалов составляют соединения соединения БЛТ как перспективные для создания на их состава BaO · Ln2O3 · 4TiO2 (BaLn2Ti4O12), Ln = La, Nd, основе микроволновой керамики.

Таблица 1. Результаты рентгенографических исследований некоторых составов твердых растворов БЛТ на основе (PbxBa1-x)(NdyBi2-y)Ti4OСостав Параметры элементарной ячейки Объем Примесные фазы x y A, B, C, V0, 0.1 1.4 22.346(6) 12.211(2) 3.8634(5) 1061.5 (Ba, Pb)Bi4Ti4O15.

Полититанаты бария 0.15 1.6 22.340(6) 12.218(2) 3.8470(5) 1050.0 (Ba, Pb)Bi4Ti4O15, Nd2Ti2O7. Полититанаты бария 0.15 1.4 22.358(6) 12.210(2) 3.8612(5) 1061.3 (Ba, Pb)Bi4Ti4O15, Nd2Ti2O7, BaTi4O0.25 1.8 22.364(6) 12.200(2) 3.8424(5) 1048.4 (Ba, Pb)Bi4Ti4O15, Nd2Ti2O7, TiOКерамические материалы для СВЧ-электроники 1. Технология получения Новые материалы различного состава на основе оксидов бария, титана и РЗЭ получены как методом твердофазного синтеза из оксидов и карбонатов, так и методом химического соосаждения из растворов солей с последующей термообработкой осадков [9]. Из синтезированных керамических порошков методом гидравлического прессования были приготовлены образцы в форме дисков с размерами, необходимыми для измерений электрических свойств в диапазонах (105-106) Hz и 4–5 GHz, а также для рентгенографических исследований. Эти диски предварительно спекались до нулевого водопоглощения.

2. Обсуждение результатов Рис. 2. Содержание нерастворимого остатка в образцах системы (PbxBa1-x)(BiyNd2-y)Ti4O12 для x = 0.10 (a) и Исследованы структура и электрические свойства x = 0.15 (b), полученных методом твердофазного синтеза (1) образцов БЛТ при замещении бария на кальций, строни химического соосаждения (2).

ций или свинец, а РЗЭ — на висмут. В системе (AxBa1-x)Ln2Ti4O12, где A = Ca, Sr, с увеличением x до x = 0.1 для Ca и x = 0.2 для Sr образуются однофазные твердые растворы БЛТ. Начиная с x = 0.2 для Ca и x = 0.4 для Sr, обнаружено появление второй фазы типа ALn2Ti4O12 со структурой перовскита и удвоенным параметром элементарной ячейки [10]. При этом введение катионов Sr2+ или Ca2+ вместо Ba2+ приводит к уменьшению объема элементарной ячейки твердых растворов БЛТ (рис. 1). При x > 0.4 параметры ячейки фазы типа БЛТ практически не меняются, что в данном случае предполагает постоянство ее химического состава.

Вместе с тем обнаруженная в образцах с x = 0.4 для Sr вторая фаза со сверхструктурой типа SrLa2Ti2O12 имеет параметр решетки a = 7.772, несколько превышающий параметр той же фазы SrLa2Ti4O12 стехиометрического состава a = 7.769 при x =1.0. Это связано, вероятно, Рис. 3. Зависимость объема элементарной ячейки (1), дис частичным внедрением бария в подрешетку стронция. электрической проницаемости (2) и ее температурного коэффициента (3) от содержания висмута в твердом растворе БЛТ Таким образом, в области концентраций от x = 0.системы (Ba0.9Ca0.1)(BiyLa2-y)Ti4O12.

до x = 0.8 в системе (SrxBa1-x)La2Ti4O12 обнаружены две фазы, представляющие собой твердые растворы со структурой типа БЛТ и SrLa2Ti4O12. При 0.8 < x существуют только твердые растворы со структурой SrLa2Ti4O12. При замещении лантана неодимом область изоморфизма Sr2+ Ba2+ расширяется до x = 0.6.

В материалах на основе системы (SrxBa1-x)Sm2Ti4O12, начиная с x = 0.2, уже присутствует фаза со структурой пирохлора, а при x = 0.6 появляется третья фаза SrSm2Ti4O12 (a = 7.722 ) со структурой перовскита.

Аналогичные результаты получены при замещении катионов бария на свинец, а РЗЭ—на висмут в составе БЛТ.

Результаты рентгенографических исследований некоторых составов системы (Pb, Ba)(Nd, Bi)2Ti4O12 приведены в табл. 1.

Как видно из приведенных данных, объем элеменРис. 1. Зависимость объема элементарной ячейки Vтарной ячейки твердого раствора БЛТ увеличивается образцов твердых растворов БЛТ от состава в систепри введении ионов Bi3+ и уменьшается с повышениме (AxBa1-x)La2Ti4O12, где A = Sr (1) и Ca (2) (a) и (SrxBa1-x)Nd2Ti4O12 (b). ем концентрации свинца. При одновременном введении 9 Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 884 Е.А. Ненашева, О.Н. Трубицына, Н.Ф. Картенко, О.А. Усов Таблица 2. Основные электрические характеристики тер- Список литературы мостабильных материалов на основе твердых растворов БЛТ в диапазоне СВЧ [1] D. Kolar, S. Gaberscek, Z. Stadler, D. Suvorov. Ferroelectrics 27, 269 (1980).

Марка материала Q ( f = 4GHz) Q· f, GHz [2] Б.А. Ротенберг, Л.П. Мудролюбова, Е.А. Ненашева.

Электр. техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты B80 80 3000 2(67), 3 (1987).

B90 90 1900 [3] Ye.A. Nenasheva. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 269, 607 (1992).

B92 92 1600 [4] Л.П. Мудролюбова, Б.А. Ротенберг, Н.Ф. Картенко, B100 100 1300 А.Н. Борщ, В.Г. Прохватилов, Ю.П. Костиков, М.П. ИваB120 120 600 нова. Изв. АН СССР. Сер. Неорган. материалы 17, 4, (1981).

[5] P.Г. Матвеева, М.Б. Варфоломеев, Л.С. Ильющенко. ЖHХ 29, 1, 31 (1984).

этих элементов в широкой области составов образуются [6] Ye.A. Nenasheva, N.F. Kartenko, I.B. Kamushkina, изоморфные твердые растворы с близкими параметрами V.P. Pyshkov. Proc. Inter. Conf. Elect. Ceramics. Prod.

элементарной ячейки.

and Prop., Riga (1990). P. 79.

Применение метода химического соосаждения твер[7] В.И. Бутко, А.Г. Белоус, Е.А. Ненашева, Ю.М. Поплавко, дых растворов БЛТ из растворов солей с последующей Е.Ф. Ушаткин. ФТТ 26, 10, 2951 (1984).

[8] Ye.A. Nenasheva, L.P. Mudrolubova, N.F. Kartenko, термообработкой осадков, описанного в [9], позволяет G.V. Kozlov, B.P. Gorshunov. Proc. Inter. Conf. Elect.

повысить полноту прохождения реакции формирования Ceramics. Prod. And Prop., Part II, Riga (1990). P. 82.

твердых растворов и понизить температуру синтеза при[9] Т.Ф. Лимарь, А.Н. Борщ, И.Г. Слатинская, Л.П. Мудроблизительно на сто градусов по сравнению с твердофазлюбова, Е.А. Ненашева. Обз. инф. сер., ”Общеотраслевые ным синтезом.

вопросы”. 10, 276 НИИТЭХИМ, М. (1988).

На рис. 2 приведены данные по содержанию при[10] Е.А. Ненашева, Б.А. Ротенберг, Н.Ф. Картенко. Тез. докл.

месных фаз нерастворимых остатков (НРО) в составах Всесоюзн. научн. конф. ”Физика диэлектриков”. Баку системы (Pb, Ba)(Nd, Bi)2Ti4O12, получаемых методом (1982). С. 42.

твердофазного синтеза (1) и химического соосаждения (2) в зависимости от состава. Количество НРО определяется с точностью ±0.02 mass.%.

Электрические параметры твердых растворов БЛТ в зависимости от состава изменяются в широких пределах. Наибольшие до 170 достигаются в системе, где лантан частично замещен на висмут на границе в области изоморфизма (рис. 3). При этом параметр TK может меняться в пределах от (-800 до +100) 10-6 degrees-1. Для термостабильной керамики с TK = (0 ± 30) · 10-6 degrees-1 величина твердых растворов замещения лежит в пределах от 70 до 120 в зависимости от состава твердого раствора.

Основные параметры ряда термостабильных материалов, полученных на основе твердого раствора БЛТ, для применения в СВЧ-электронике приведены в табл. 2.

Итак, из анализа структуры и электрических свойств материалов различного состава в области изоморфизма в системах (AxBa1-x)(Ln2-yBiy)Ti4O12, где A = Ca, Sr, Pb, Ln = La, Nd, Sm, следует, что изовалентные твердые растворы на границе области изоморфизма обладают повышенной диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими потерями в широком диапазоне частот.

На основе изовалентных твердых растворов разработан ряд высокодобротных термостабильных материалов для применения в технике СВЧ.

Новые материалы позволяют изменять основные электрические параметры микроволновых элементов в широких пределах и направленно выбирать для каждой конкретной задачи оптимальный состав керамики.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.