西安交大科研人员在新型高介低损介质陶瓷研究领域取得新进展

自上世纪20年代KDP（KH2PO4）被发现以来，铁电材料持续在世界范围内引起广泛关注，并在诸如陶瓷电容器、储能器件、微波器件、超声传感器等领域引发了大量的研究与应用。铁电材料中最具代表性的便是钛酸钡（BaTiO3）陶瓷，作为一种典型的高介电材料，BaTiO3被誉为“电子陶瓷工业的支柱”，广泛应用于多层共烧电容器（MLCC）中。然而，随着电子元器件尺寸的进一步减小，由于传统BaTiO3体系高频下介电损耗较大及其固有的核壳尺寸效应，亟需研发新型高介低损的介质陶瓷体系。

通过引入有序化学组分诱导出极性微区，可以将传统铁电材料改性为弛豫铁电材料。由于其独特的纳米微畴结构，弛豫铁电材料一般具有较高介电常数及较低的介电损耗，在不同领域呈现出优异的综合性能。迄今为止，主流的弛豫铁电材料均为钙钛矿结构，其中无铅环保的BaTiO3基弛豫铁电材料虽然具有较高的电场诱导极化和较低的剩余极化，但受限于其高介电损耗等缺点，在实际生产应用中存在较大的限制。

图一 非钙钛矿构型的弛豫铁电材料Bi6Ti5WO22的性能-结构-模拟计算示意图

历时四年，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队通过非化学计量配比调节及等静压成型工艺，制备出具备高介电常数（εr~ 2200，与室温下BaTiO3的介电常数相当），低介电损耗（tanδ ~ 10-3，比传统BaTiO3低一个数量级，见图一、图二）的单相致密Bi6Ti5WO22陶瓷，室温下其介电可调率为40%，优值因子高达240（远高于(Ba,Sr)TiO3体系）。进一步通过原位高分辨率透射电子显微镜成功观测到Bi6Ti5WO22陶瓷中的孪晶效应与极性微区和微应变，结合不同温度下的中子粉末衍射精修结果和第一性原理密度泛函计算，首次验证该组分为非钙钛矿构型的弛豫铁电材料。并进一步解析了该组分的准确晶格结构，解释了其高介电常数的来源与低损耗的成因。该工作不仅发现了一种全新的弛豫铁电材料，为制备高容量电容器、微波可调器件提供了一种理想材料，并从其结构角度出发对介电性能进行了较为全面的表征与理论分析，为后续研发新型高介低损弛豫铁电材料提供了思路。

图二 a为材料的电滞回线 b,c分别展示材料的介电常数与损耗随频率和温度的变化

d为远红外光谱分析与THz频段的介电表征e显示了材料所具备的介电可调特性

f材料介电可调优值与其它常见介电可调材料对比

近日，该研究结果以“非钙钛矿结构弛豫铁电体中的超低损耗和高介电可调性”（Ultralow loss and high tunability in a non-perovskite relaxor ferroelectric）为题，在国际知名期刊《先进功能材料（Advanced Functional Materials) 在线发表。西安交大电信学部电子科学与工程学院博士生李睿韬和青年教师徐谛明为论文共同第一作者，电信学部电子科学与工程学院周迪教授为论文通讯作者。该工作中的第一性原理计算模拟由西安交大前沿院缑高阳研究员课题组完成。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202210709