原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Tian H, Zhang X, Zhang Z, et al. Low-permittivity LiLn(PO₃)₄ (Ln = La, Sm, Eu) dielectric ceramics for microwave/millimeter-wave communication. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220882

1、研究背景

微波介质陶瓷是无线通信器件的基石，广泛应用于移动通信、卫星雷达、全球定位系统、蓝牙以及无线局域网等领域，由微波介质陶瓷构成的滤波器、谐振器及介质天线等元器件在无线通信网络中被广泛使用。随着无线通信频率扩展到了更高的频段，信号延迟问题更加突出，而新一代物联网对信号延迟提出了更高的要求。为满足高频应用的需求，研发具有低介电常数的陶瓷新体系是本领域亟待解决的问题。同时，探索介质陶瓷本征介电响应根源为其性能提升提供理论指导，是领域内科研人员一直重点关注的问题。

2、文章亮点

本研究率先报道了一种轻质低介低损的微波介质陶瓷新体系，并通过微带天线原型设计验证器件化转换，为该领域电子元器件设计提供了材料新选择。基于晶体结构演变进行第一性原理计算，同时基于实验XRD采集进行P-V-L理论计算，二者相互印证化学键性质关系，量化化学键参数对微波介电性能的影响，探究介电机理的本征响应机制；同时结合晶格振动光谱探究微波介电响应本征贡献，外推得到微波频率下的低损极限，表明了此结构具有获得更低损耗的可能性。

3、研究结果及结论

1. 低介磷酸盐新体系与器件化探索：在低于950 ℃的烧结温度下成功制备了LiLn(PO₃)₄体系，其具有低介电常数（5.05–5.26）、较高的品质因数（41,607–75,968 GHz）和低密度（3.04–3.26 g/cm³），在低介电体系和磷酸盐中综合性能突出。基于未来器件化应用考虑，本工作设计了微带贴片天线原型器件。通过实际测量，在中心频率5.08 GHz获得了360 MHz的−10 dB带宽，与仿真结果吻合度较高，表现出优异的天线性能，获得了超过5.11 dB的增益。

图1（a）LiLn(PO₃)₄ (Ln = La, Eu, Sm)陶瓷的介电性能比较，（b）低ε_r6体系微波介电性能汇总

图2（a）微带贴片天线的几何形状，（b）用于天线测量的微波暗室，微带贴片天线（c）测量和模拟的回波损耗(S₁₁)，（d）电场分布，（e）测量和模拟的增益，（f）测量和模拟的辐射方向图E面、H面和3D辐射方向图。

2. 陶瓷结构-介电性能关系探究：利用第一性原理计算了LiLn(PO₃)₄结构演变对晶体能带结构的影响，利用电子局域函数计算了电子局域程度，定性分析了化学键共价性。另外，结合空间构型和元素最外层电子分布引入了P-V-L理论量化化学键性质，发现化学键晶格能，共价性和堆积率的增强降低了结构的非简谐振动，从而有利于品质因数的提升。而谐振频率温度系数和化学键键能存在密切的相关性，键能的增强提升了化学键刚度，从而削弱了结构对温度变化的敏感性，获得了更优异的温度稳定性。以此为基础建立了LiLn(PO₃)₄晶体结构-化学键性质-介电性能之间的联系，探索了微波介电性能的内在影响因素。

图3 LiLn(PO₃)₄ (Ln = La, Sm, Eu)陶瓷的能带结构、态密度（DOS）和电子局域化函数（ELF）。

图4 LiLn(PO₃)₄ (Ln = La, Sm, Eu)陶瓷的（a）Q·f值，（b）填充分数（PF），（c）Ln–O键共价性，（d）P–O键晶格能（U_P–O）和（e）总晶格能（U_total）之间的关系。

图5 LiLn(PO₃)₄ (Ln = La, Eu, Sm)陶瓷（a）t_f值，（b）Ln–O键能（U_P–O），（c）总键能（U_total）之间的关系。

3. 陶瓷晶格振动光谱解析本征介电响应：基于LiLn(PO₃)₄晶体对称性特征标表，确定晶体结构的红外和拉曼光谱活性振动模式，实现振动光谱声子模式的指认与振动模的辨析，验证了(PO₃)₄^4–阴离子的成功合成。另外，借助极化声子模式探究微波介电响应本征贡献，外推得到微波频率下的介电常数，其与实测值（5.05–5.26）吻合良好，并探究了该体系的低损极限，显示了此结构具有获得更低损耗的可能性。

图6（a）实测和拟合的红外反射率光谱，（b）复介电常数实部，（c）复介电常数虚部，（d）不同波数区间的振动模式贡献。

4、作者及研究团队简介

田焕荣，本文第一作者，山东大学博士研究生，主要研究领域包括低介微波介质陶瓷材料其器件研究。

张子栋，本文通讯作者，山东大学教授，博士生导师，入选中国科协青年人才托举工程、山东大学青年学者未来计划，现担任中国材料研究学会超材料分会副秘书长，中国复合材料学会青年工作委员会委员、《材料工程》及《航空材料学报》青年编委。张子栋教授课题组面向信息化武器装备及5G通讯技术对高性能电磁功能材料及相关器件的重大需求，针对性开展了电磁功能材料相关研究。先后在《Research》、《Small》等期刊上发表关于电磁功能材料相关学术论文合计60余篇。主持国家自然基金面上及青年项目、国家重点研发计划子课题、山东省重点研发计划等多项研究课题。

吴海涛，教授，博士生导师，烟台大学拔尖人才，主要研究方向信息功能陶瓷及元器件。围绕微波介质陶瓷先后主持/完成国家自然科学基金面上项目3项、山东省发改委人才项目等。累计以第一作者或通讯作者在J. Adv. Ceram.、J. Mater. Sci. Technol.、J. Am. Ceram. Soc.、J. Eur. Ceram. Soc.等期刊发表SCI收录论文150余篇，公开发明专利30余项，授权20余项；担任J. Adv. Ceram.、J. Inorg. Mater.、J. Adv. Dielectr.、Advanced Powder Materials等期刊编委。

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。2022年期刊影响因子为16.9，在SCI“材料科学：陶瓷”分类的28本期刊中排名第1。本刊就此成为SCI“材料科学：陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。

期刊中文网页：http://www.ccs-cicc.com/index.html

期刊英文网页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108