Структурные и электрические свойства стеклокерамических сегнетоэлектрических композитных материалов

Введение. Материалы, обладающие высокой диэлектрической проницаемостью, актуальны для использования в современной сверхвысокочастотной электронике в составе управляемых конденсаторов высокой энергетической плотности, систем преобразования энергии, мощных передающих антенн. Наиболее перспективными материалами для применения в упомянутых устройствах являются сегнетоэлектрики, обладающие высокой диэлектрической нелинейностью. Для увеличения электрической прочности сегнетоэлектрических материалов сегодня разрабатываются композитные структуры на основе смешения сегнетоэлектриков с линейными диэлектриками - материалами, обладающими малой диэлектрической проницаемостью, но высокой электрической прочностью. Преимуществом такого подхода является возможность создания новых многокомпонентных материалов с недостижимыми ранее свойствами и возможность регулировать компонентный состав, размеры включений и электрические свойства композитов в широких пределах. На основе пористого калийжелезосиликатного стекла (KFS), полученного методом ионного обмена, синтезированы стеклокерамические материалы, содержащие титанат бария, с целью использования на сверхвысоких частотах. Показано, что отжиг стеклокерамических композитов в кислородной среде положительно влияет на их структурные и электрические характеристики. Стеклокерамические образцы демонстрируют значительное увеличение диэлектрической проницаемости и снижение потерь после высокотемпературной обработки в кислороде.

Цель работы. Получение стеклокомпозитов посредством низкотемпературного спекания предварительно синтезированного BaTiO₃ (BTO) и калийжелезосиликатного стекла, а также характеризация структуры и электрических свойств композитов на сверхвысоких частотах (СВЧ).

Материалы и методы. Кристаллическая структура и фазовый состав полученных пленок исследовались методом рентгеновской дифракции с помощью дифрактометра ДРОН-6 на эмиссионной спектральной линии CuK_α1 (λ = 1.5406 Å). Диэлектрическая проницаемость е образцов на СВЧ оценивалась методом Николсона-Росса при комнатной температуре с использованием Agilent E4980A LCR-meter.

Результаты. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, синтезированные образцы представляют собой смесь KFS, сегнетоэлектрического BaTiO₃ и диэлектрических полититанатов бария; соотношение последних определяет электрические свойства композитов. В зависимости от содержания титаната бария исследуемые образцы демонстрируют диэлектрическую проницаемость от 50 до 270 при уровне диэлектрических потерь 0.1...0.02.

Для исследуемых образцов, подверженных отжигу в кислородной среде, после высокотемпературной обработки наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости на 10.25 % и рост управляемости при уменьшении диэлектрических потерь в среднем в 2 раза.

Заключение. Наиболее перспективным с точки зрения структурных и электрических свойств представляется композит состава с массовой долей ВТО 70 % и массовой долей KFS 30 %. Для данного композита наблюдается увеличение диэлектрической проницаемости на 25 %, существенный рост нелинейности при одновременном снижении потерь более чем в 2 раза в результате отжига в кислородной среде.

1. Design and development of a tunable ferroelectric microwave surface mounted device / C. Borderon, S. Ginestar, H. W. Gundel, A. Haskou, K. Nadaud, R. Renoud, A. Sharaiha // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2020. Vol. 67, № 9. P. 1733-1737. doi: 10.1109/TUFFC.2020.2986227

2. Frequency tunable antennas based on innovative materials / L. Huitema, A. Crunteanu, H. Wong, A. Ghalem, M. Rammalet // IEEE Intern. Conf. on Computational Electromagnetics (ICCEM), Kumamoto, Japan, 8-10 March 2017. P. 28-30. doi: 10.1109/COMPEM.2017.7912722

3. Characterization and Performance Analysis of BST-Based Ferroelectric Varactors in the Millimeter-Wave Domain / A. Crunteanu, V. Muzzupapa, A. Ghalem, L. Huitema, D. Passerieux, C. Borderon, R. Renoud, H. W. Gundel // Crystals. 2021. Vol. 11, № 3. P. 277. doi: 10.3390/cryst11030277

4. Nguyen Q. M., Anthony T. K., Zaghloul A. I. Free-Space-Impedance-Matched composite dielectric metamaterial with high refractive index // IEEE Antennas and Wireless Propagation Let. 2019. Vol. 18, № 12. P. 2751-2755. doi: 10.1109/LAWP.2019.2951122

5. Hao X. A review on the dielectric materials for high energy-storage application // J. of Advanced Dielectrics. 2013. Vol. 03, № 1. P. 1330001. doi: 10.1142/S2010135X13300016

6. Homogeneous/inhomogeneous-structured dielectrics and their energy-storage performances / Z. Yao, Z. Song, H. Hao, Z. Yu, M. Cao, Sh. Zhang, M. T. Lanagan, H. Liu // Advanced Materials. 2017. Vol. 29, № 20. P. 1601727. doi: 10.1002/adma.201601727

7. Qi H., Zuo R. Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi0.5Na0.5)TiO3-NaNbO3 with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency // J. of Materials Chemistry A. 2019. Vol. 7, № 8. P. 3971-3978. doi: 10.1039/C8TA12232F

8. Novel BiFeO3-BaTiO3-Ba(Mg1/3Nb2/3)O3 lead-free relaxor ferroelectric ceramics for energy-storage capacitors / D. Zheng, R. Zuo, D. Zhang, Y. Li // J. of the American Ceramic Society. 2015. Vol. 98, № 9. P. 2692-2695. doi: 10.1111/jace.13737

9. Low permittivity ferroelectric composite ceramics for tunable applications / E. A. Nenasheva, N. F. Kartenko, I.M. Gaidamaka, S. S. Redozubov, A. B. Kozyrev, A. D. Kanareykin // Ferroelectrics. 2017. Vol. 506, № 1. P. 174-183. doi: 10.1080/00150193.2017.1282761

10. Observation of an anomalous correlation between permittivity and tunability of a doped (Ba,Sr)TiO3 ferroelectric ceramic developed for microwave applications / A. B. Kozyrev, A. D. Kanareykin, E. A. Nenasheva, V. N. Osadchy, D. M. Kosmin // Applied Physics Let. 2009. Vol. 95, № 1. P. 012908. doi: 10.1063/1.3168650

11. Microstructures and dielectric tunable properties of Ba0.5Sr0.5TiO3-MgO-Mg3B2O6 composite ceramics / Z. He, B. Liu, Ch. Li, Y. He // Ceramics International. 2015. Vol. 41, № 5. P. 6286-6292. doi: 10.1016/j.ceramint.2015.01.053

12. Mahmoud A. E., Moeen S., Gerges M. K. Enhancing the tunability properties of pure (Ba,Sr)TiO3 lead-free ferroelectric by polar nanoregion contributions // J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2021. Vol. 32, № 10. P. 13248-13260. doi: 10.1007/s10854-021-05879-6

13. High-Frequency Characteristics of (Ba,Sr)TiO3 Tunable Ceramics with Various Additives Intended for Accelerator Physics / E. A. Nenasheva, A. D. Kanareykin, A. I. Dedyk, S. F. Karmanenko, A. S. Semenov // Integrated Ferroelectrics. 2005. Vol. 70, № 1. P. 107-113. doi: 10.1080/10584580490895275

14. The abnormal increase of tunability in ferroelectricdielectric composite ceramics and its origin / X. Ma, S. Li, Y. He, T. Liu, Y. Xu // J. of Alloys and Compounds. 2018. Vol. 739. P. 755-763. doi: 10.1016/j.jallcom.2017.12.279

15. The effect of transition metal oxides on the tunablil- BaWO4 composite ceramics / M. Zhang, J. Zhai, Bo. Shen, X. Yao // Materials Chemistry and Physics. 2011. Vol. 128, ity and microwave dielectric properties of Ba0.5Sr0.5TiO3- № 3. P. 525-529. doi: 10.1016/j.matchemphys.2011.03.043