中國粉體網(wǎng)訊  介電可調(diào)材料對外部直流電場的調(diào)制響應(yīng)性，因此被廣泛應(yīng)用于鐵電移相器等集成元件中。隨著日益發(fā)展的通訊技術(shù)和雷達(dá)系統(tǒng)對于可調(diào)材料提出了在可調(diào)度、驅(qū)動場強(qiáng)、介電常數(shù)、介電損耗、響應(yīng)時(shí)間等多個(gè)性能指標(biāo)上更高的要求，目前所研究的材料體系均在不同方面存在各自的短板，難以滿足應(yīng)用需求。

長期以來，鈦酸鍶鋇陶瓷一直被認(rèn)為是最有潛力的可調(diào)材料，然而顯著的介電損耗和高壓驅(qū)動限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)可調(diào)材料的復(fù)合優(yōu)化，探索兼顧大可調(diào)度、低驅(qū)動場強(qiáng)、低介電損耗的可調(diào)材料，一直是該領(lǐng)域內(nèi)的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

針對這一難題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊(duì)在此前探索的新型高介低損Bi₆Ti₅WO₂₂陶瓷體系的基礎(chǔ)之上，通過引入離子半徑更大的Nb⁵⁺離子取代Ti⁴⁺/W⁶⁺離子，設(shè)計(jì)并順利制備出組分為(1-x)Bi₆Ti₅WO₂₂ -xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂的一系列固溶體陶瓷。

(1-x) Bi₆Ti₅WO₂₂-xBi₆Ti₄Nb₂O₂₂ (0≤x≤0.6) 固溶體陶瓷的設(shè)計(jì)與表征

這一明智的離子取代設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對該體系陶瓷晶格常數(shù)與納米疇尺寸的連續(xù)精準(zhǔn)調(diào)控，成功將陶瓷材料的相變溫度點(diǎn)移至室溫附近，使得材料的介電可調(diào)性能獲得了大幅提升。其中，組分為0.7Bi₆Ti₅WO₂₂ -0.3Bi₆Ti₄Nb₂O₂₂的陶瓷在極低電場（1.5kV/mm）下兼具超大的介電可調(diào)度（~75.6%）與超低損耗（＜0.002），這一可調(diào)度是鈦酸鍶鋇陶瓷的兩倍，而損耗僅為其十分之一。中子粉末衍射和高分辨率透射電子顯微鏡顯示了取代引發(fā)的納米疇和微應(yīng)變的變化，密度泛函理論模擬計(jì)算揭示了離子取代對極化的貢獻(xiàn)。

該研究為制備快速響應(yīng)的高性能鐵電移相器提供了一種理想的替代品，也為調(diào)節(jié)相變溫度以改善介電性能提供了一個(gè)通用策略。作為一種介電可調(diào)諧材料，它在包括有效可調(diào)諧性在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)上的超越，使其有望取代BST固溶體陶瓷，推動可調(diào)材料在微波介電和傳感器件中的廣泛應(yīng)用。

該研究結(jié)果以“在低損耗鐵電陶瓷中通過離子取代設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超大介電可調(diào)度”(Giant dielectric tunability in ferroelectric ceramics with ultralow loss by ion substitution design)為題，在國際知名期刊《自然·通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表。

來源：西安交通大學(xué)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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