烧结行为和化学键合对Mn?V?O?陶瓷微波介电性能影响的评估

《Journal of Alloys and Compounds》：Evaluation of Influence of the Sintering Behavior and Chemical Bonding on the Microwave Dielectric Properties of Mn 2V 2O 7 Ceramics

本研究通过固态法合成Mn?V?O?陶瓷，系统研究其烧结行为、结构及化学键与微波介电性能的关联。最佳烧结温度810℃时获得高密度（96.7%）、低损耗（Q×f=58,000 GHz），ε_r=15.1，τ_f=-52 ppm/°C，表明P-V-L键理论可有效解释其性能，为5G/6G LTCC应用提供新候选材料。

　　

黄成良|潘毅青

台湾台南市国立成功大学电气工程系

摘要

通过固态法合成了Mn₂V₂O₇陶瓷，并系统研究了其烧结行为、相变以及化学键合对微波介电性能的影响。制备的陶瓷具有C2/m (12)空间群的单斜结构。在810°C下烧结的样品获得了96.7%的最大相对密度和均匀的晶粒形态，同时展现了优异的微波介电性能：ε_{r = 15.1，Q×f = 58,000 GHz，以及τf = –52 ppm/°C。此外，还利用P–V–L键合理论计算了化学键的离子性、晶格能和键能，并将其与测量的介电性能进行了关联。结果表明，Mn2V2O7陶瓷的微波介电性能与其化学键的离子性、晶格能和键能高度相关。}

引言

低温共烧陶瓷（LTCC）技术最初在20世纪80年代末被探索出来，作为高温共烧陶瓷（HTCC）的多层封装替代方案。[1] 到90年代，LTCC在商业上变得更加可行，包括杜邦和村田在内的多家电子制造商推动了LTCC材料和工艺的研究、开发与推广。[2] 这使得该技术得以成熟，应用于滤波器、射频模块和多层电路中。LTCC不仅能够集成无源元件，还将烧结温度降至970°C以下，从而可以使用银电极。[3] 这有助于节约能源并减少碳排放，符合当前的环境保护原则和可持续发展目标。[4] 最近，LTCC技术被广泛应用于实现当今5G/6G通信网络和物联网（IoT）系统中射频组件和模块的微型化与高可靠性。[5],[6] 通常，制造LTCC最常用且广泛采用的方法是将玻璃配方掺入主要陶瓷中以降低烧结温度；然而，这往往会显著影响其微波介电性能。[7] 尽管溶胶-凝胶法和Pechini法可以有效生产适用于LTCC应用的细陶瓷粉末，但它们的高成本和复杂的加工过程使其不适合大规模生产。[8],[9] 因此，开发内在型LTCC材料成为了一个更实际且有前景的替代方案。在过去二十年里，基于这种方法的各种LTCC组成已被成功开发并报道。[10],[11],[12]

根据最近的科学报告，三种最广泛认可的内在型LTCC化合物是钼酸盐、钨酸盐和钒酸盐。其中，钒酸盐因其出色的性能和市场竞争力而尤为值得关注。[13],[14],[15] 在这方面，相关的钒酸盐陶瓷化合物（如MgO-V₂O₅、CaO-V₂O₅、BaO-V₂O₅、ZnO-V₂O₅和CoO-V₂O₅体系）已通过文献中的先前研究得到了系统研究。[16],[17],[18],[19],[20] 此外，最近的研究还强调了键的价态和极化在塑造介电行为中的作用。[21],[22] 它们的多数应用涉及需要介电常数低于10的5G/6G通信系统的高频微波基板。然而，在6GHz以下的系统中，有时也会使用介电常数处于中高水平的材料，因为这些材料可以通过减少电磁波耦合和最小化信号失真来提供解耦效果。[23],[24] 作为MnO-V₂O₅家族的一员，MnV₂O₆之前已被研究，显示出以下微波介电性能：ε_{r = 11.6，Q×f = 30,000 GHz，以及τf = –16 ppm/°C（烧结温度为630°C）。[25] 它被提议用作ULTCC应用的基板材料。尽管之前关于Mn2V2O7的研究主要集中在磁性和介电响应上，但其微波介电性能尚未被报道。[26] 因此，作为MnO-V2O5家族中的第二种基本化合物，Mn2V2O7值得对其烧结行为、化学键合和微波介电性能进行系统研究，以填补这一研究空白并评估其在LTCC应用中的潜力。表1总结了本研究中研究的钒酸盐陶瓷（包括Mn2V2O7）的典型烧结温度和介电性能。}

本文系统研究了Mn₂V₂O₇的微波介电性能，对其烧结行为、微观结构以及化学键与介电特性之间的关联进行了详细研究。有趣的是，该样品的介电常数为15.1，介电损耗低，表明其适合作为5G系统中6GHz以下频段的基板，同时也能为射频电路应用提供解耦效果。

实验程序

图1展示了制备Mn₂V₂O₇陶瓷的实验过程示意图。Mn₂V₂O₇样品是通过使用化学计量的MnO₂（>99.9%）和V₂O₅（>99.9%）粉末通过常规固态反应合成的。原材料在乙醇（>95%）中用ZrO₂球磨机研磨24小时，然后在135°C下干燥4小时。所得混合物在空气中于750°C的氧化铝坩埚中煅烧4小时，之后进行二次球磨。

结果与讨论

图2显示了在750–840°C下烧结4小时的Mn₂V₂O₇（MVO）陶瓷的XRD图谱、Rietveld精修曲线和晶体结构示意图。相应的结构数据总结在表2中。所有衍射峰与标准ICDD-PDF卡片#00-022-0436非常吻合，证实形成了C2/m (12)空间群的单斜结构。结构示意图显示了一个由边缘共享的MnO₄四面体组成的框架。

结论

使用常规固态合成方法制备了Mn₂V₂O₇陶瓷。样品达到了高密度（约96.7%），呈现出单斜结构。在810°C下获得了优化的微波介电性能：ε_{r = 15.1，Q×f = 58,000 GHz，以及τf = –52 ppm/°C。这些结果凸显了Mn2V2O7陶瓷在5G系统中6GHz以下频段的LTCC应用潜力。此外，基于P–V–L键合理论的分析表明，其内在特性...}

CRediT作者贡献声明

潘毅青：验证、方法论、研究、数据管理。黄成良：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、监督、项目管理、方法论、研究、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：黄成良的报告由国立成功大学提供。报告指出存在相关关系。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC 114-2221-E-006-098项目）的财政支持。作者感谢国立成功大学核心设施中心的Hui–Jung Shih女士对高分辨率SEM（Hitachi SU8000）使用的支持。作者还感谢使用国立成功大学核心设施中心的D8 Discover设备的XRD005100代码。

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