西安交大周迪教授团队新成果！介电可调陶瓷研究新突破

中国粉体网讯  介电可调材料对外部直流电场的调制响应性，因此被广泛应用于铁电移相器等集成元件中。随着日益发展的通讯技术和雷达系统对于可调材料提出了在可调度、驱动场强、介电常数、介电损耗、响应时间等多个性能指标上更高的要求，目前所研究的材料体系均在不同方面存在各自的短板，难以满足应用需求。

长期以来，钛酸锶钡陶瓷一直被认为是最有潜力的可调材料，然而显著的介电损耗和高压驱动限制了其进一步应用。因此，实现介质可调材料的复合优化，探索兼顾大可调度、低驱动场强、低介电损耗的可调材料，一直是该领域内的难点与挑战。

针对这一难题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队在此前探索的新型高介低损Bi₆Ti₅WO₂₂陶瓷体系的基础之上，通过引入离子半径更大的Nb⁵⁺离子取代Ti⁴⁺/W⁶⁺离子，设计并顺利制备出组分为(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ -xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂的一系列固溶体陶瓷。

(1-x) Bi₆Ti₅WO₂₂-xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂ (0≤x≤0.6) 固溶体陶瓷的设计与表征

这一明智的离子取代设计，实现了对该体系陶瓷晶格常数与纳米畴尺寸的连续精准调控，成功将陶瓷材料的相变温度点移至室温附近，使得材料的介电可调性能获得了大幅提升。其中，组分为0.7Bi₆Ti₅WO₂₂ -0.3Bi₆Ti₄Nb₂O₂₂的陶瓷在极低电场（1.5kV/mm）下兼具超大的介电可调度（~75.6%）与超低损耗（＜0.002），这一可调度是钛酸锶钡陶瓷的两倍，而损耗仅为其十分之一。中子粉末衍射和高分辨率透射电子显微镜显示了取代引发的纳米畴和微应变的变化，密度泛函理论模拟计算揭示了离子取代对极化的贡献。

该研究为制备快速响应的高性能铁电移相器提供了一种理想的替代品，也为调节相变温度以改善介电性能提供了一个通用策略。作为一种介电可调谐材料，它在包括有效可调谐性在内的各项参数上的超越，使其有望取代BST固溶体陶瓷，推动可调材料在微波介电和传感器件中的广泛应用。

该研究结果以“在低损耗铁电陶瓷中通过离子取代设计实现超大介电可调度”(Giant dielectric tunability in ferroelectric ceramics with ultralow loss by ion substitution design)为题，在国际知名期刊《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表。

来源：西安交通大学

（中国粉体网编辑整理/空青）

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