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桂林理工大学相怀成/方亮团队：构型熵调控驱动相演变实现钒酸盐陶瓷近零温频系数与高品质因数精选

已有 620 次阅读 2026-10-23 10:19 |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:

Wu X, Chen J, Guan N, et al. Tailoring configurational entropy and phase evolution in (La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)_1–xBi_xVO₄ ceramics for high-performance C-band dielectric resonator antennas. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221395

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221395

ResearchGate：Tailoring configurational entropy and phase evolution in (La 0.2 Ce 0.2 Nd 0.2 Sm 0.2 Eu 0.2 ) 1 – x Bi x VO 4 ceramics for high-performance C-band dielectric resonator antennas

基金支持：

该研究得到国家自然科学基金和广西自然科学基金等项目的资助与支持。

一、导读

微波介质陶瓷低介电常数（ε_r）、高品质因数（Q×f）和近零谐振频率温度系数（τ_f）三者难以兼得，成为5G/6G通信器件的核心瓶颈。本文提出构型熵工程策略，通过Bi³⁺可控取代将(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)_1–xBi_xVO₄（LBV@x）陶瓷从高熵态精准调控至低熵态，并触发锆石→白钨矿相演变。LBV@0.05陶瓷Q×f高达96,870 GHz，LBV@0.1实现近零τ_f（+8.5 ppm/°C）与高Q×f = 88,120 GHz。基于其制备的C波段介质谐振器天线具有高增益达和高辐射效率，展现出广阔的5G/6G通信应用前景。

图1. 文章摘要图

二、研究背景

5G/6G通信技术的迅猛发展，对带通滤波器、介质谐振器天线、低损耗基板等关键射频元件提出了严苛的性能要求：低介电常数、超高品质因数与优异的谐振频率温度稳定性，同时还需兼容低温共烧陶瓷（LTCC）封装技术。然而，这三个关键参数相互制约，“低ε_r—高Q×f—近零τ_f”的协同优化一直是微波介质材料领域最难攻克的问题之一。

在众多候选体系中，钒酸盐锆石结构AVO₄陶瓷因其本征低介电常数备受关注，扭曲的[AO₈]十二面体与刚性[VO₄]四面体使其介电常数天然偏低，非常适合高频应用。但传统单一阳离子AVO₄陶瓷存在两大问题：其一，τ_f普遍为大的负值（< –30 ppm/°C），源于强介电非谐性与热膨胀补偿不足；其二，Q×f普遍不高（< 50,000 GHz），源于A位晶格畸变与局域应变场引起的声子阻尼。

近年来，高熵陶瓷通过构型熵稳定晶体结构，为突破上述瓶颈提供了新思路。前期研究表明，(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)VO₄高熵锆石陶瓷已创下107,200 GHz的超高Q×f纪录，但τ_f仍停留在–32.7 ppm/°C。与此同时，Bi³⁺掺杂被证明是调节钒酸盐τ_f的有效手段，但Bi³⁺掺杂对高熵体系τ_f的影响机制及其伴随的结构演化规律尚不清晰。如何将高熵稳定化与Bi³⁺掺杂调谐有机结合，同时破解负τ_f 与低Q×f两大难题，正是本研究的出发点。

三、文章亮点

(1) 通过Bi³⁺取代与构型熵协同调控，驱动(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)₁_–_xBi_xVO₄陶瓷发生物相演化，材料由四方锆石单相经两相共存区向单斜白钨矿结构演变，并实现微波介电性能的连续调控。

(2) 单相锆石高熵陶瓷LBV@0.05获得最高Q×f值96,870 GHz，同时在LBV@0.1高熵陶瓷中实现近零τ_f与高Q×f值统一，有效缓解钒酸盐体系高品质因数与温度稳定性之间难以兼顾的难题。

(3) 基于LBV@0.1陶瓷设计制作的C波段介质谐振器天线性能优异，并验证了该陶瓷与Ag电极的低温共烧兼容性。

四、研究结果及结论

（一）材料设计与结构演变

研究采用传统固相反应法合成(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)₁_–_xBi_xVO₄（LBV@x，x = 0.05–0.9）系列陶瓷。XRD表明，x ≤ 0.7时Bi³⁺完全固溶，形成单相四方锆石固溶体；x = 0.8时出现单斜白钨矿BiVO₄衍射峰，溶解度极限约为x = 0.7。构型熵随x增大呈非线性下降：x = 0.05–0.5时熵值平稳（>1.61R，高熵区）；x > 0.5后急剧下降，x = 0.9时低至0.49R（低熵区）。晶格畸变参数δ在x = 0.3处达到峰值（0.0335）后单调下降至0.0181，与熵变趋势互为印证。Raman光谱中，锆石相的A_1g(ν₁)对称伸缩振动峰（869 cm^-1）随掺杂展宽，反映高熵态质量涨落与弹性应变引起的声子阻尼；x = 0.9时出现822 cm^-1白钨矿特征峰，与XRD结果一致。

图2. (a) LBV@x陶瓷的 XRD 衍射图谱。(b) 构型熵与晶格畸变参数随x值的变化关系。(c,d) LBV@x (x = 0.05, 0.8)的Rietveld精修图谱。(e) 锆石相与白钨矿相的晶体结构示意图。

（二）微波介电性能调控机理

该陶瓷材料的ε_r从x = 0.05时的12.53单调升至x = 0.9时的60.91，源于高离子极化率的Bi³⁺（6.12 Å³）引入，实测值与Clausius-Mossotti理论值（15.10–42.72）及孔隙修正值变化趋势一致。Q×f从96,870 GHz（x = 0.05）降至18,768 GHz（x = 0.9）：高熵区的高Q×f得益于构型熵对晶格的稳定化；进入两相区后，相界散射与电阻率下降（3.35×10⁹ → 6.04×10⁶ Ω·cm）共同加剧介电损耗。

该陶瓷材料的τ_f呈非单调变化并两次穿越零点：–11.9 ppm/°C（x = 0.05）→ +132.0 ppm/°C（x = 0.7峰值）→ –195.7 ppm/°C（x = 0.9）。结合线性膨胀系数α_L（7.70 → 14.12 ppm/°C）与介电常数温度系数τ_ε的计算分析表明，τ_ε的符号反转与τ_f呈反向对应关系，揭示了离子极化率温度系数τ_αm与热膨胀竞争这一核心机理。得益于此，LBV@0.1（Q×f = 88,120 GHz, τ_f = +8.5 ppm/°C）与LBV@0.8（Q×f = 21,010 GHz, τ_f = +10.7 ppm/°C）同时实现近零τ_f。

图3. LBV@x陶瓷的 (a) ε_r、(b) Q×f 及 (c) τ_f 随 x 变化的关系曲线；(d) LBV@x 陶瓷的线膨胀系数 α_L。

（三）LTCC兼容性与天线应用

LBV@0.7最优烧结温度仅925 ℃，低于Ag电极熔点（961 ℃）。与20 wt.% Ag在925 ℃共烧4 h后，XRD仅检测到锆石相与金属Ag峰，背散射电镜显示两相界面无扩散、无反应产物，化学兼容性良好，满足LTCC工艺要求。与已报道AVO₄体系对比，本工作在低掺杂量下即实现显著更优的Q×f与可调的τ_f。

图4. (a,b) LBV@0.7与Ag电极共烧的XRD与BSE分析；(c) 与已报道AVO₄基微波介质陶瓷Q×f—τ_f性能对比。

基于近零τ_f、高Q×f的LBV@0.1陶瓷，设计并制作了C波段圆柱介质谐振器天线。仿真中心频率5.449 GHz处S₁₁达–56.13 dB，带宽269 MHz；实测中心频率5.335 GHz（S₁₁ = –42.49 dB），带宽211 MHz，偏差源于加工公差与测试环境扰动。天线峰值增益6.88 dBi，辐射效率95.25%，在整个工作频段（5.329–5.598 GHz）内效率均高于90%、增益保持在4.23–6.88 dBi，充分验证了LBV@x陶瓷在C波段天线中的实用价值。

图5. 基于LBV@0.1陶瓷的C波段介质谐振器天线: (a)结构示意图；(b) 三维远场辐射方向图与应用场景；(c) E面/H面方向图；(d) 仿真与实测S₁₁；(e) 增益与辐射效率。

五、作者及研究团队简介

武晓玉，桂林理工大学物理与电子信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为新型电子信息功能陶瓷材料。目前在Journal of Advanced Ceramics、Journal of Alloys and Compounds等期刊发表文章。

相怀成，桂林理工大学物理与电子信息工程学院副教授、硕士生导师。2019年获桂林理工大学材料科学与工程博士学位，期间于芬兰奥卢大学联合培养一年。2019-2021年在深圳大学从事博士后研究。研究工作涉及低介微波介质陶瓷、电子信息功能材料、高熵陶瓷和固态电解质等领域。主持国家自然科学基金项目1项、广西自然科学基金项目2项、深圳市自然科学基金项目1项。发表学术论文100余篇，其中第一/通讯作者论文包括Journal of Advanced Ceramics、 Applied Materials Today、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Materials Science & Technology、Journal of the European Ceramics Society等50余篇。授权国家发明专利8项。

方亮，桂林理工大学材料科学与工程学院二级教授、博士生导师。享受国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才、湖北省楚天学者特聘教授、广西（首批、第六批）特聘专家、国家知识产权局“百千万知识产权人才工程”百名高层次人才。毕业于武汉理工大学材料学专业，主要从事新型无机非金属功能材料的制备、结构与性能方面的研究。主持国家自然科学基金项目（9项）、国防科技重点型号项目、教育部重大科技项目、教育部新世纪优秀人才支持计划基金等30余项。在国内外学术刊物发表SCI收录论文400余篇，引用超过6000次。获得授权中国发明专利205项。获得省部级科学技术奖一等奖2次、二等奖3次。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Huaicheng Xiang*, Yang Zhou, Junqi Chen*, Ning Zhang, Xiaoyu Wu, Ying Tang*, Liang Fang, Regulation of the temperature stability in ordered olivine microwave dielectric ceramics with low-loss for dielectric resonant antenna, Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14: 9221149. doi: https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221149

2）Yuheng Zhang, Huaicheng Xiang*, Xiaoyu Wu, Yang Zhou, Ying Tang, Liang Fang*, Low dielectric loss in vanadium-based zircon ceramics via high-entropy strategy, Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14: 9221012. doi: https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221012

3）Yang Yang, Weishuang Fang, Huixing Lin, Jie Li*, Huaicheng Xiang, Ying Tang*, Lei Li, Liang Fang, SrGa₁₂O₁₉: The first low-ε_r Ga-based microwave dielectric ceramic with anomalous positive τ_f, Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(9): 1432-1441, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220947

《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，清华大学出版社有限公司出版，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、WJCI等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的SCI影响因子为14，连续6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；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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有限公司自主研发、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。