Novel Method to Achieve Temperature-Stable Microwave Dielectric Ceramics: A Case in the Fergusonite-Structured NdNbO4 System

材料科学 温度系数 介电常数 陶瓷 电介质 相(物质) 分析化学(期刊) 光电子学 复合材料 物理 化学 色谱法 量子力学
作者
Di Zhou,Ling Zhang,Diming Xu,Feng Qiao,Xiaogang Yao,Huixing Lin,Wenfeng Liu,Li‐Xia Pang,Fayaz Hussain,Moustafa A. Darwish,Tao Zhou,Yawei Chen,Qi‐Xin Liang,Meirong Zhang,Ian M. Reaney
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 19129-19136 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsami.2c23180
摘要

Microwave dielectric ceramics with permittivity (εr) ∼ 20 play an important role in massive multiple-input multiple-output (MIMO) technology in 5G. Although fergusonite-structured materials with low dielectric loss are good candidates for 5G application, tuning the temperature coefficient of resonant frequency (TCF) remains a problem. In the present work, smaller V5+ ions (rV = 0.355 Å, with coordination number (CN) = 4) were substituted for Nb5+ (rNb = 0.48 Å with CN = 4) in the Nd(Nb1-xVx)O4 ceramics, which, according to in situ X-ray diffraction data, lowered the fergusonite-to-scheelite phase transition (TF-S) to 400 °C for x = 0.2. The thermal expansion coefficient (αL) of the high-temperature scheelite phase was +11 ppm/°C, whereas for the low-temperature fergusonite phase, it was + 14 < αL < + 15 ppm/°C. The abrupt change in αL, the associated negative temperature coefficient of permittivity (τε), and the minimum value of εr at TF-S resulted in a near-zero TCF ∼ (+7.8 ppm/°C) for Nd(Nb0.8V0.2)O4 (εr ∼ 18.6 and Qf ∼ 70,100 GHz). A method to design near-zero TCF compositions based on modulation of τε and αL at TF-S is thus demonstrated that may also be extended to other fergusonite systems.
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