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景德镇陶瓷大学李月明团队：Sc/Nb协同取代调控单斜-立方相变提升Li2TiO3陶瓷微波介电性能

已有 408 次阅读 2026-5-29 14:45 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

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

Cite this article:

Wang Z, Guo H, Li Y, et al. Enhancing microwave dielectric properties of Li₂TiO₃ ceramics via monoclinic–cubic phase transition control. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221305

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221305

ResearchGate：Enhancing Microwave dielectric properties of Li 2 TiO 3 ceramics via monoclinic–cubic phase transition control

基金支持：

本工作得到江西省自然科学基金(20252BAC240019, 20224BAB214020)、景德镇市科技计划项目(2025JCYJ001)以及国家日用及建筑陶瓷工程技术研究中心开放基金项目(GXZX2303)的资助。

一、导读

随着5.5G超大规模天线阵列的快速发展，轻量化、高性能微波介质陶瓷需求日益增长。本研究通过Sc/Nb协同取代调控Li₂TiO₃陶瓷中的单斜-立方相变，成功构建双相结构。研究发现，相变温度降低与晶格畸变协同作用，可将高温立方相稳定至室温，并利用两相相反的谐振频率温度系数(TCF)实现优异温度稳定性。同时，超结构重构与缺陷抑制显著降低了介电损耗。优化组分LTSN_0.25表现出优异性能：ε_r = 18.6，Q×f = 102,330 GHz，TCF = −2.3 ppm/°C，在5.5G射频器件中展现出良好的应用潜力。

二、研究背景

随着5.5G（5G-Advanced）的加速部署，无线通信网络正迈向“下行万兆、上行千兆”的新时代，进一步推动了高性能、轻量化介质滤波器和天线的需求增长。在此背景下，钛酸锂（β-Li₂TiO₃，LTO）基微波介质陶瓷因合成简单、原料丰富、密度低等优势，被认为是极具应用潜力的材料。然而，其本征性能仍存在不足：较低的Q×f值会导致器件插入损耗增加，而较大的正谐振频率温度系数（TCF）则难以保证在宽温范围内的频率稳定性。为突破上述性能瓶颈，现有研究主要采用复合陶瓷和离子取代两种策略。复合方法虽可通过温度系数补偿调控TCF，但面临烧结匹配、界面效应等问题，且易引入缺陷、增加损耗。相比之下，离子取代通过诱导结构转变，在性能调控方面更具优势。尽管其有效性已得到验证，但取代如何精确调控相变，以及相变与微波介电性能之间的关系仍不清晰。揭示这一内在关联，对于定向设计高性能LTO基微波介质陶瓷材料至关重要。

本工作通过引入Sc/Nb协同取代对LTO陶瓷进行改性，旨在通过调控单斜-立方相变行为，实现谐振频率温度系数与介电损耗的协同优化。同时，结合原位高温结构表征，进一步揭示相变演化、局域结构重构与微波介电性能之间的内在关联，为高性能LTO基微波介质陶瓷的设计提供新的思路。

三、文章亮点

(1) 通过EBSD和HRTEM分析证实，LTO陶瓷经历单斜相向立方相的演变，并存在双相区域。这种特定结构能够有效平衡正负TCF贡献，使LTSN_0.25陶瓷实现近零温度系数（−2.3 ppm/°C）。

(2) 原位高温XRD和高温Raman分析表明，离子取代显著降低了单斜-立方相变温度(T_c)。热力学改变与晶格畸变引起的动力学阻碍协同作用，使高温立方相在室温下得以稳定保留。

(3) 重构超晶格的形成及晶格缺陷的有效抑制，是降低介电损耗的关键因素。结果显示，最优LTSN_0.25陶瓷的Q×f高达102,330 GHz，比纯LTO(~31,430 GHz)提升约3.3倍。

四、研究结果及结论

该研究工作采用传统固相反应法制备了Li₂Ti_1-x(Sc_1/2Nb_1/2)_xO₃(LTSN_x)系列微波介质陶瓷。XRD与拉曼光谱分析表明，随着Sc/Nb协同取代量的增加，材料内部经历了从单斜相(C2/c)向立方相(Fm-3m)的结构演变。原位高温XRD与原位高温拉曼光谱表征展示了这一相变过程的动力学机制：纯LTO陶瓷在冷却时高温立方相易逆转变回单斜相；而引入Sc/Nb取代后，相变温度降低，离子取代引发的热力学改变与晶格畸变产生协同效应，在动力学上阻碍了逆相变过程，从而将高温立方相保留至室温，构筑出单斜-立方纳米级双相共存结构。

图1 LTSN_x陶瓷的相演变研究：(a) LTSN_x陶瓷（0 ≤ x ≤ 0.5）的X射线衍射（XRD）图谱；(b, c) LTSN_x陶瓷的拉曼光谱；(d) LTSN_0.25陶瓷的原位高温XRD图谱；(e, f) 分别为LTO和LTSN_0.25陶瓷的原位高温拉曼光谱。

TEM表征进一步证实了单斜与立方双相共存形态的存在，与XRD、拉曼光谱及EBSD的观测结果一致。当取代量不小于0.4时，陶瓷样品完全转变为纯立方相，证实了离子取代驱动的单斜-立方结构转变。这一微观结构演变与宏观微波介电性能之间存在着密切的构效关系。

图2 LTSN_x陶瓷（x = 0.25, 0.4, 0.5）的TEM表征：(a) LTSN_0.25样品的TEM图像，(b) SAED模式，以及(c, d) HRTEM图像；(e) LTSN_0.4样品的TEM图像，(f) SAED模式，以及(g) HRTEM图像；(h) 对应的模拟SAED模式；(i) LTSN_0.5样品的TEM图像，(j) SAED模式，以及(k) HRTEM图像；(l) 沿晶带轴的立方相结构模型；(m₁-m₄) LTSN_0.5样品的EDS元素分布图。

得益于双相结构与缺陷抑制机制，LTSN_x陶瓷的微波介电性能得到了有效优化。利用单斜相与立方相相反的TCF特性，通过调控两相比例，使LTSN_0.25陶瓷中正负TCF贡献实现有效补偿，从而获得了接近零的谐振频率温度系数（TCF = −2.3 ppm/°C）。与此同时，局域超结构的重构以及氧空位等晶格缺陷的减少，协同降低了材料的本征与非本征介电损耗。最终，LTSN_0.25陶瓷表现出优异的微波介电性能：介电常数ε_r = 18.6，Q×f值高达102,330 GHz（较纯LTO提升约3.3倍），并在太赫兹频段表现出稳定的低损耗响应。

图3 LTSNx陶瓷的微波介电性能：(a) TCF，(b) ε_r和(c) Q×f值随x（0 ≤ x ≤ 0.5）的变化；(d) x = 0、0.1、0.25、0.5样品的热膨胀系数（CTE）曲线；(e) 高分辨率O 1s XPS谱及(f) x = 0、0.1、0.25样品的拟合带隙值；(g) THz频段的介电常数实部（ε′）和(h) 介电损耗（tan δ）（x = 0、0.1、0.25）；(i) LTSN_x陶瓷与其他代表性K20陶瓷的微波介电性能对比。

五、作者及研究团队简介

王祖伟（第一作者），景德镇陶瓷大学在读硕士研究生。主要研究方向为微波介质陶瓷材料。

郭欢欢（通讯作者），景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院教师，硕士生导师。主要研究方向包括微波介质陶瓷材料与器件、电介质储能材料、压电陶瓷。

李月明（通讯作者），景德镇陶瓷大学教授，博士生导师。主要研究方向包括微波介质陶瓷材料、固态电池材料、稀土硫化物色料及预应力陶瓷材料等。

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

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。