物理學(xué)碩士專(zhuān)題講座

《物理學(xué)碩士專(zhuān)題講座》課程總結(jié)物理學(xué)碩士專(zhuān)題講座的課程已經(jīng)結(jié)束，通過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)，讓我對(duì)課題研究的對(duì)象、方法、步驟、儀器設(shè)備的應(yīng)用、相關(guān)因素和無(wú)關(guān)因素的控制、操作程序與方法、操作性概念的界定、研究結(jié)果的統(tǒng)計(jì)方法等有了更加深刻的了解。另外通過(guò)各位老師的精心講解，讓我明白了做科研要有嚴(yán)謹(jǐn)，認(rèn)真和刻苦的態(tài)度。在各位老師介紹的課題中，我對(duì)夏老師研究的“微波介質(zhì)的陶瓷的制備、結(jié)構(gòu)和性能”頗感興趣，下面我將簡(jiǎn)單闡述這一課題。一，簡(jiǎn)介波移動(dòng)通訊的發(fā)展需求。微波介質(zhì)陶瓷（MWDC）是指應(yīng)用于微波頻段(主要是UHF、SHF頻段，300MHz～300GHz)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)微波介質(zhì)材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向。這主要是適應(yīng)微波移動(dòng)通訊的發(fā)展需求。近年來(lái)，移動(dòng)通訊，衛(wèi)星通信，軍用雷達(dá)，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS)、藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)得到了快熟發(fā)展。這些通信裝置中的微波電路一般由振蕩器、濾波器、衰減器、介質(zhì)天線、微波集成電路基片等原件組成，微波介質(zhì)陶瓷是其制備的關(guān)鍵和基礎(chǔ)的材料。用微波介質(zhì)陶瓷制作的元器件具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、加個(gè)便宜等優(yōu)點(diǎn)。目前微波陶瓷材料和器件的生產(chǎn)水平以德EPCOS公司、美Trans-Tech公司、NardaMICROWAVE-WEST、英MorganElectroCeramics、Filtronic等公司為最高。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的研究已經(jīng)漸為完善,在微波頻段下,材料的介電常數(shù)基本不隨頻率的變化而變化,根據(jù)介電常數(shù)的大小將其歸為低介、中介和高介3大類(lèi),著重對(duì)各種典型體系的結(jié)構(gòu)、介電性能、目前存在的問(wèn)題和改性情況進(jìn)行概述。二，前景隨著數(shù)據(jù)移動(dòng)通訊和衛(wèi)星通訊的迅速發(fā)展，特別上微波器件多層設(shè)計(jì)思想的提出，微波器件的小型化、工作高頻化與多頻化進(jìn)程的加快，微波介質(zhì)陶瓷的低溫?zé)Y(jié)、低損耗以及介電常數(shù)可調(diào)、微波器件的進(jìn)一步實(shí)用化必然成為新一輪研究的熱點(diǎn)；高介電材料的研究雖然有所降溫，但在制作貼片式微波器件方面仍然會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)占有重要地位。目前，微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域的熱點(diǎn)有：傳統(tǒng)微波介質(zhì)陶瓷的低溫?zé)Y(jié)以及中低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷新體系的開(kāi)發(fā)；高介電常數(shù)微波介質(zhì)新體系探索；微波介質(zhì)陶瓷低損耗的極限與超低損耗；頻率捷變微波介質(zhì)陶瓷等。三，分類(lèi)1低介微波介質(zhì)陶瓷體系微波介質(zhì)陶瓷具有高介高損耗、低介低損耗的規(guī)律,故低介體系因其高品質(zhì)因數(shù)而被應(yīng)用于對(duì)介質(zhì)損耗要求比較嚴(yán)格的領(lǐng)域,如衛(wèi)星通訊、軍用雷達(dá)等方面。1.1Al2O3-TiO2系α-Al2O3屬三方晶系,剛玉型結(jié)構(gòu),按畸變的六方緊密堆積,填2/3的八面體空隙中。α-Al2O3的微波介電性能:,.,品質(zhì)因數(shù)高,但存在燒結(jié)溫度高、諧振頻率溫度系數(shù)為較大的負(fù)值等缺點(diǎn),摻CuO可有效降低燒結(jié)溫度,摻可調(diào)節(jié)其溫度系數(shù),如經(jīng)退火處理的0.9-0.1具有優(yōu)異的介電性能:,,,常用于制備微波集成電路的基片。-系中摻入金屬氧化物可制得(M=Mg、Zn等),通式為(1-x)-x。純的,,(12.3GHz),但。的作用同樣是調(diào)節(jié)值,如0.75-0.25的和分別為11.04和-1.2×10-5/℃,(7.5GHz)[2],綜合性能比純有明顯改善。1.2()系()(R=Y、Sm、Nd、Yb等,A=Mg、Zn)屬于單斜晶系,空間群為Pnma,結(jié)構(gòu)中含棱椎形多面體、多面體和多面體,取代元素A可提高值。如的,，而的微波介電性能：該體系頻率溫度系數(shù)呈現(xiàn)較大的負(fù)值,需探索新的改性方法調(diào)節(jié)其溫度系數(shù)。此外還有系、鈦酸鎂系列、系、等。2中介微波介質(zhì)陶瓷體系2.1(Zr,Sn)系該體系是一種目前應(yīng)用比較廣泛的中介微波介質(zhì)陶瓷體系,Q值高,值低,其通式為(x+y+z=2)。Sn的作用是提高Q值,但會(huì)略微降低,其中()(ZST)材料的介電性能最好。,Q=7000(7GHz),,因較好的溫度穩(wěn)定性,用它制備的介質(zhì)諧振器可解決窄帶諧振器的頻率漂移問(wèn)題。()陶瓷的主晶相是以斜方為基的(Zr,Sn)TiO4固溶體,在x<0.3時(shí),為單相()固溶體;在0.3<x<0.4時(shí)會(huì)形成固溶體,此固溶體作為第二相與()共存,共存體比單相()固溶體具有較高的、和較低的Q值。ZST難以燒結(jié)致密,而的大小又與其致密化程度有關(guān),通常采用堿金屬氧化物作為助燒劑促進(jìn)燒結(jié)。另外,摻雜也能在對(duì)其介電常數(shù)和諧振頻率溫度系數(shù)影響不大的前提下很大程度地提高體系的Q值。2.2-系該體系主要有兩種性能優(yōu)異的化合物,和。屬于正交晶系,在4GHz下,,Q=9000,。加入少量可調(diào)節(jié)其溫度系數(shù),如加入摩爾分?jǐn)?shù)為10%的改性,可使其溫度系數(shù)接近于0×10-6/℃[22]。在4GHz下,Q為8000,介電常數(shù)為40左右,溫度系數(shù)為2×10-6/℃,化合物的形成是個(gè)緩慢的過(guò)程,且在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)形成少量和。的存在對(duì)的性能影響較小,但()的存在會(huì)增大體系的值。在1400℃以上分解為和,因此燒結(jié)時(shí)必須在1400℃以下達(dá)到致密化才能使材料具有較好的性能。同時(shí)研究表明在1000℃退火10～15h可提高的Q值。BT4在-體系的介電損耗較小,在體系中的諧振頻率溫度系數(shù)較低。加入一定的改性劑,將兩者按一定比例混合,制備的復(fù)相陶瓷在低頻和高頻下都能適用,且原料成本較低并已廣泛應(yīng)用于各種諧振器和濾波器的制備中。3高介微波介質(zhì)陶瓷微波在介質(zhì)體內(nèi)傳播時(shí)的波長(zhǎng)λ與其在自由空間傳播時(shí)的波長(zhǎng)存在如下關(guān)系：越大,越小,從而諧振器尺寸越小,并且越大,電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化能力愈強(qiáng),電磁能量也容易集中在電介質(zhì)內(nèi),使受到周?chē)h(huán)境的影響小。因此高的介電常數(shù)能促進(jìn)微波通訊設(shè)備、諧振器的小型化和集成化,在高電容量的集成電路中以及低頻下工作的通訊設(shè)備中應(yīng)用廣泛。3.1--系長(zhǎng)期以來(lái),--系(R為鑭系稀土元素)一直是人們研究最多的體系,通式為(BLT),如圖1所示,在--三元系統(tǒng)中,固溶體形成區(qū)域固定在和(或)的連線上,Ti∶O為1∶3。--三元系統(tǒng)的一部分隨x的減少,增多,由于的極性比的極性大,系統(tǒng)總極性增強(qiáng),值也會(huì)隨之增加。當(dāng)x=2/3時(shí),微波介質(zhì)陶瓷具有最高值:在R=Sm的系統(tǒng)中=10549GHz;R=Nd的系統(tǒng)中=10010GHz;R=Pr的系統(tǒng)中=6611GHz;R=La的系統(tǒng)中=2024GHz。故--和--最具實(shí)用價(jià)值,它們的介電常數(shù)高(70-80),通過(guò)摻雜改性提高其溫度穩(wěn)定性是以后研究的重點(diǎn)。3.2鉛基鈣鈦礦系鉛基鈣鈦礦系主要是指()、(）、()、()（）等系列材料。該系列綜合了復(fù)合鈣鈦礦系列中A位取代和B位取代兩種方式的優(yōu)點(diǎn),有兩個(gè)顯著的特征:介電常數(shù)較高,頻率溫度系數(shù)較小;介電常數(shù)隨鉛含量的增加而增大,隨B位離子半徑的增大而減小。該系列有較高的,但品質(zhì)因數(shù)較低(<2000GHz),通常對(duì)其進(jìn)行B位取代,以提高Q值,尤其是Sn的引入能使[(Nb,Fe)]八面體壓縮,外電場(chǎng)作用下,、移動(dòng)困難,降低整個(gè)