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

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Xiang H, Zhou Y, Chen J, et al. Regulation of the temperature stability in ordered olivine microwave dielectric ceramics with low-loss for dielectric resonant antenna. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221149

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221149

ResearchGate：Regulation of the temperature stability in ordered olivine microwave dielectric ceramics with low-loss for dielectric resonant antenna

1、导读

本文以A₂BO₄型橄榄石陶瓷为研究对象，通过调控键长变化与离子极化，实现了从有序正交橄榄石到无序四方K₂NiF₄结构的演变，显著提升了谐振频率的温度稳定性并维持了较低的介电损耗。通过固相烧结法制备了系列CaYGa_1-xAl_xO₄ (x = 0–1)陶瓷，实现了超低介电损耗（tanδ = 1.38×10^-4, Q×f = 125,530 GHz, f = 17.3 GHz, x = 0）和近零的谐振频率温度系数（τ_f = -0.5 ppm/°C, x = 0.9）。介电性能的显著变化（ε_r = 8.3–16.2, Q×f = 125,530–50,660 GHz, τ_f = -50.9–+2.9 ppm/°C）主要受离子极化率、离子有序、化学键特性及第二相所影响。此外，基于CaYGaO₄陶瓷设计并仿真了介质谐振器天线，在5.065–5.747 GHz频段展现高增益（5.36–6.15 dBi）和高效率（>90%），为高频通信中高性能微波介质陶瓷的调控及天线设计提供了新策略。

图1. 文章摘要图

2、研究背景

随着5G/6G通信技术的迅猛发展，微波介质陶瓷需具备低介电常数（ε_r < 15）、高品质因数（Q×f > 50,000 GHz）和近零的谐振频率温度系数（τ_f ≈0 ppm/°C），以满足低延迟、低损耗及温度稳定性的需求。橄榄石型A₂BO₄陶瓷以低介电常数和低损耗著称，但其较大的负τ_f 值限制了实际应用。例如，CaMgGeO₄陶瓷其较大的负τ_f （-73.7 ppm/°C）和高成本，阻碍了其推广应用。研究表明，在CaLnGaO₄中，Ca²⁺和Ln³⁺半径差增大可促进A位有序，且高温下可诱导正交橄榄石结构向四方类钙钛矿结构（K₂NiF₄型，I4/mmm）转变。在K₂NiF₄型结构中，可通过Al³⁺取代Ga³⁺可形成稳定的CaLnAlO₄微波介质陶瓷，其介电常数比橄榄石体系略高（ε_r =17.9–18.9），τ_f可从负值变化到正值（-12–+6 ppm/°C），这种变化在橄榄石体系中较为罕见。基于橄榄石和K₂NiF₄陶瓷的结构特性，通过成分与相结构调控，有望在A₂BO₄体系中实现低ε_r、高Q×f和近零τ_f的统一。

3、文章亮点

(1) 通过调控正交橄榄石向四方K₂NiF₄结构的演变及A位离子有序性，实现超低介电损耗和近零的谐振频率温度系数。

(2) 通过XRD、高分辨率透射电镜、拉曼光谱、介电温谱、Rietveld结构精修和晶格能等多种表征与分析方法，系统阐明了该体系陶瓷的介电性能变化源于第二相、离子极化、离子有序/无序演变及化学键特性的协同作用。

(3) 基于超低损耗CaYGaO₄陶瓷设计了介质谐振器天线，在5.065–5.747 GHz频段实现高增益（5.36–6.15 dBi）和高辐射效率（>90%），为5G毫米波通信提供高效可靠的解决方案。

4、研究结果及结论

CaYGa_1-xAl_xO₄ (x = 0-1) 陶瓷在0 ≤ x < 0.4范围内具有正交橄榄石结构，在0.4 ≤ x ≤ 0.8内，出现了四方K₂NiF₄相的衍射峰，并且随x值的增加衍射峰强度增强，在x > 0.8时，形成了纯的四方CaYAlO₄相。精修结果同样表明，随x的增加，正交橄榄石相比例减少，四方K₂NiF₄相的比例增加，并且晶胞体积逐渐减小。通过扫描电镜（SEM）可以更直观的看到两相的变化及晶粒形貌的差别。两种晶体结构差异明显：正交橄榄石由[CaO₆]、[YO₆]八面体和[GaO₄]四面体构成，四方K₂NiF₄相则由[CaO₉]十二面体和[AlO₆]八面体组成。由于Al³⁺的离子半径较小（0.39 Å, CN = 4; 0.535 Å, CN = 6），其更倾向于与6个氧原子配位形成[AlO₆]八面体。

图2. CaYGa_1-xAl_xO₄ (0 ≤ x ≤ 1) 陶瓷的 (a) 不同温度烧结XRD图，(b-d) 精修结果，(e) 两相比例，(f) 正交橄榄石与四方K₂NiF₄的结构示意图。

图3. CaYGa_1-xAl_xO₄ (0 ≤ x ≤ 1) 陶瓷的SEM图及密度变化。

在CaYGaO₄陶瓷中观察到明显的超晶格衍射斑点，证实了Ca²⁺（4a）和Y³⁺（4c）在八面体位点上的有序分布。CaYGa_0.1Al_0.9O₄ (x = 0.9)的选区电子衍射模式，表明晶体对称性显著变化，晶格常数演变为a = b ≠ c，轴间角保持90°，(101)晶面间距为3.511 Å，接近K₂NiF₄结构的理论值。此外，快速傅里叶变换（FFT）和反快速傅里叶变换（IFFT）图像未显示二次衍射环或缺陷条纹，表明样品具有高结晶质量和结构完整性。

图4. CaYGaO₄ 和 CaYGa_0.1Al_0.9O₄ 陶瓷的高分辨率透射电镜图。

CaYGa_1-xAl_xO₄ (0 ≤ x ≤ 1)陶瓷的介电常数（ε_r）随Al³⁺取代量从8.3增至16.2，计算的ε_r(C-M)值（8.1–16.4）与实测值（8.3–16.2）吻合良好。CaYGaO₄和CaYAlO₄陶瓷在30–300 °C和5 kHz–1 MHz频率范围内的ε_r（8.7–16.3）略高于微波频段.此外，CaYGaO₄的ε_r值随温度升高而增大，而CaYAlO₄的ε_r值则呈现相反趋势。Q×f值随x增加从125,530 GHz (x = 0)降至49,490 GHz (x = 0.9)，后略增至50,660 GHz (x = 1)。x = 0.9的最低Q×f值可能与相变点附近结构不稳定相关，表明结构演变显著影响介电损耗。正交有序橄榄石结构的CaYGaO₄ (x = 0)展现最高Q×f值。在5 kHz−1 MHz低频范围内，CaYGaO₄和CaYAlO₄的介电损耗在较低温度下均显示良好稳定性，但CaYGaO₄的损耗更低。τ_f值从-50.9 ppm/°C (x = 0)提升至+2.9 ppm/°C (x = 1)，在x = 0.9时接近零(-0.5 ppm/°C)，表明通过调控Al³⁺掺杂量可精确调控τ_f。τ_f与ε_r变化趋势一致，表明ε_r是能影响τ_f的重要因素。CaYGa_1-xAl_xO₄体系中，τ_ε绝对值远超α_L，对τ_f值的主导作用显著。

图5. CaYGa_1-xAl_xO₄ 陶瓷的微波介电性能、介电温谱、电阻率及热膨胀数据变化。

基于高Q×f值的CaYGaO₄陶瓷，设计并仿真了圆柱形介质谐振器天线。结果表明，在5.33 GHz处，S₁₁值为-25.8 dB，回波损耗带宽达698 MHz (5.065–5.747 GHz)，并具有高的增益（6.79 dBi）和效率（>90%），是C波段5G通信的优选材料。

图6. 基于CaYGaO₄陶瓷设计并仿真的介质谐振天线性能。

5、作者及研究团队简介

相怀成（第一作者/通讯作者），桂林理工大学副教授、硕士生导师。研究工作涉及低介微波介质陶瓷、电子信息功能材料和高熵陶瓷等领域。主持和参与国家自然科学基金、深圳市自然科学基金、广西自然科学基金和广西科技重大专项等项目10余项。以第一或通讯作者在Journal of Advanced Ceramics、Applied Materials Today、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Materials Science & Technology等期刊发表论文40余篇，授权国家发明专利7项。担任《Journal of Advanced Ceramics》期刊青年编委。

邮箱：xianghc@glut.edu.cn

陈军奇（通讯作者），桂林航天工业学院讲师、硕士生导师。主要从事5G关键电子材料（微波介质陶瓷）设计与制备、材料的结构与性能调控等研究。主持广西自然科学基金1项、广西研究生创新计划项目1项，作为主要完成人参与3项国家自然科学基金和4项广西自然科学基金项目。以第一或通讯作者在Journal of the European Ceramic Society、Ceramics International、Journal of the American Ceramic Society等期刊发表论文30余篇，申请国家发明专利10余项。

邮箱：junqichen1991@163.com

唐莹（通讯作者），桂林理工大学教授、博士生导师。主要研究领域为新型电子信息功能陶瓷材料，专注于微波介质陶瓷材料与元器件的组成设计、结构与介电特性方面的研究工作。获得广西杰出青年基金项目、广西八桂青年拔尖人才培养项目，主持国家自然科学基金项目2项（青年、地区各1项），以第一发明人获得授权中国发明专利25项，以第一作者或通讯作者发表论文30余篇。

邮箱：tangyinggl001@aliyun.com

《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，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。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，2024年发文量为174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33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。

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