物理学硕士专题讲座

《物理学硕士专题讲座》课程总结物理学硕士专题讲座的课程已经结束，通过这门课程的学习，让我对课题研究的对象、方法、步骤、仪器设备的应用、相关因素和无关因素的控制、操作程序与方法、操作性概念的界定、研究结果的统计方法等有了更加深刻的了解。另外通过各位老师的精心讲解，让我明白了做科研要有严谨，认真和刻苦的态度。在各位老师介绍的课题中，我对夏老师研究的“微波介质的陶瓷的制备、结构和性能”颇感兴趣，下面我将简单阐述这一课题。一，简介波移动通讯的发展需求。微波介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是近年来国内外对微波介质材料研究领域的一个热点方向。这主要是适应微波移动通讯的发展需求。近年来，移动通讯，卫星通信，军用雷达，全球卫星定位系统（GPS)、蓝牙技术、无线局域网等现代技术得到了快熟发展。这些通信装置中的微波电路一般由振荡器、滤波器、衰减器、介质天线、微波集成电路基片等原件组成，微波介质陶瓷是其制备的关键和基础的材料。用微波介质陶瓷制作的元器件具有体积小、质量轻、性能稳定、加个便宜等优点。目前微波陶瓷材料和器件的生产水平以德EPCOS公司、美Trans-Tech公司、NardaMICROWAVE-WEST、英MorganElectroCeramics、Filtronic等公司为最高。目前,国内外对微波介质陶瓷的研究已经渐为完善,在微波频段下,材料的介电常数基本不随频率的变化而变化,根据介电常数的大小将其归为低介、中介和高介3大类,着重对各种典型体系的结构、介电性能、目前存在的问题和改性情况进行概述。二，前景随着数据移动通讯和卫星通讯的迅速发展，特别上微波器件多层设计思想的提出，微波器件的小型化、工作高频化与多频化进程的加快，微波介质陶瓷的低温烧结、低损耗以及介电常数可调、微波器件的进一步实用化必然成为新一轮研究的热点；高介电材料的研究虽然有所降温，但在制作贴片式微波器件方面仍然会在相当长的时间内占有重要地位。目前，微波介质陶瓷领域的热点有：传统微波介质陶瓷的低温烧结以及中低温烧结微波介质陶瓷新体系的开发；高介电常数微波介质新体系探索；微波介质陶瓷低损耗的极限与超低损耗；频率捷变微波介质陶瓷等。三，分类1低介微波介质陶瓷体系微波介质陶瓷具有高介高损耗、低介低损耗的规律,故低介体系因其高品质因数而被应用于对介质损耗要求比较严格的领域,如卫星通讯、军用雷达等方面。1.1Al2O3-TiO2系α-Al2O3属三方晶系,刚玉型结构,按畸变的六方紧密堆积,填2/3的八面体空隙中。α-Al2O3的微波介电性能:,.,品质因数高,但存在烧结温度高、谐振频率温度系数为较大的负值等缺点,掺CuO可有效降低烧结温度,掺可调节其温度系数,如经退火处理的0.9-0.1具有优异的介电性能:,,,常用于制备微波集成电路的基片。-系中掺入金属氧化物可制得(M=Mg、Zn等),通式为(1-x)-x。纯的,,(12.3GHz),但。的作用同样是调节值,如0.75-0.25的和分别为11.04和-1.2×10-5/℃,(7.5GHz)[2],综合性能比纯有明显改善。1.2()系()(R=Y、Sm、Nd、Yb等,A=Mg、Zn)属于单斜晶系,空间群为Pnma,结构中含棱椎形多面体、多面体和多面体,取代元素A可提高值。如的,，而的微波介电性能：该体系频率温度系数呈现较大的负值,需探索新的改性方法调节其温度系数。此外还有系、钛酸镁系列、系、等。2中介微波介质陶瓷体系2.1(Zr,Sn)系该体系是一种目前应用比较广泛的中介微波介质陶瓷体系,Q值高,值低,其通式为(x+y+z=2)。Sn的作用是提高Q值,但会略微降低,其中()(ZST)材料的介电性能最好。,Q=7000(7GHz),,因较好的温度稳定性,用它制备的介质谐振器可解决窄带谐振器的频率漂移问题。()陶瓷的主晶相是以斜方为基的(Zr,Sn)TiO4固溶体,在x<0.3时,为单相()固溶体;在0.3<x<0.4时会形成固溶体,此固溶体作为第二相与()共存,共存体比单相()固溶体具有较高的、和较低的Q值。ZST难以烧结致密,而的大小又与其致密化程度有关,通常采用碱金属氧化物作为助烧剂促进烧结。另外,掺杂也能在对其介电常数和谐振频率温度系数影响不大的前提下很大程度地提高体系的Q值。2.2-系该体系主要有两种性能优异的化合物,和。属于正交晶系,在4GHz下,,Q=9000,。加入少量可调节其温度系数,如加入摩尔分数为10%的改性,可使其温度系数接近于0×10-6/℃[22]。在4GHz下,Q为8000,介电常数为40左右,温度系数为2×10-6/℃,化合物的形成是个缓慢的过程,且在烧结过程中会形成少量和。的存在对的性能影响较小,但()的存在会增大体系的值。在1400℃以上分解为和,因此烧结时必须在1400℃以下达到致密化才能使材料具有较好的性能。同时研究表明在1000℃退火10～15h可提高的Q值。BT4在-体系的介电损耗较小,在体系中的谐振频率温度系数较低。加入一定的改性剂,将两者按一定比例混合,制备的复相陶瓷在低频和高频下都能适用,且原料成本较低并已广泛应用于各种谐振器和滤波器的制备中。3高介微波介质陶瓷微波在介质体内传播时的波长λ与其在自由空间传播时的波长存在如下关系：越大,越小,从而谐振器尺寸越小,并且越大,电介质在电场作用下的极化能力愈强,电磁能量也容易集中在电介质内,使受到周围环境的影响小。因此高的介电常数能促进微波通讯设备、谐振器的小型化和集成化,在高电容量的集成电路中以及低频下工作的通讯设备中应用广泛。3.1--系长期以来,--系(R为镧系稀土元素)一直是人们研究最多的体系,通式为(BLT),如图1所示,在--三元系统中,固溶体形成区域固定在和(或)的连线上,Ti∶O为1∶3。--三元系统的一部分随x的减少,增多,由于的极性比的极性大,系统总极性增强,值也会随之增加。当x=2/3时,微波介质陶瓷具有最高值:在R=Sm的系统中=10549GHz;R=Nd的系统中=10010GHz;R=Pr的系统中=6611GHz;R=La的系统中=2024GHz。故--和--最具实用价值,它们的介电常数高(70-80),通过掺杂改性提高其温度稳定性是以后研究的重点。3.2铅基钙钛矿系铅基钙钛矿系主要是指()、(）、()、()（）等系列材料。该系列综合了复合钙钛矿系列中A位取代和B位取代两种方式的优点,有两个显著的特征:介电常数较高,频率温度系数较小;介电常数随铅含量的增加而增大,随B位离子半径的增大而减小。该系列有较高的,但品质因数较低(<2000GHz),通常对其进行B位取代,以提高Q值,尤其是Sn的引入能使[(Nb,Fe)]八面体压缩,外电场作用下,、移动困难,降低整个