协同楔形效应实现双相介电陶瓷低温掺杂的突破性策略

本研究针对MgTiO3 -CaTiO3 双相介电陶瓷中离子掺杂温度不匹配的核心难题，创新性提出Ce辅助Hf掺杂的“楔形策略”，成功将Hf4+ 掺杂量提升至40 mol.%并降低烧结温度200°C以上，显著协调了介电常数（εr ）、近零谐振频率温度系数（TCF）与品质因数（Q×f）间的矛盾，为高性能无线通信器件开发提供新思路。

　　

在5G通信和物联网技术飞速发展的今天，高性能微波介质陶瓷已成为制造微型化无线通信器件的关键材料。然而，这类材料始终面临一个“不可能三角”难题：如何同时实现高介电常数（ε_r

20）、近零谐振频率温度系数（TCF）和超高品质因数（Q×f）。以MgTiO₃
-CaTiO₃
双相陶瓷为例，虽然其Q×f值可达56,000 GHz且TCF可调至0 ppm/°C，但提升介电常数需增加CaTiO₃
含量，这又会导致TCF恶化至+800 ppm/°C。更棘手的是，两相烧结温度差异悬殊（MgTiO₃
≤1400°C vs CaTiO₃
≥1600°C），使传统离子掺杂技术难以奏效。

针对这一挑战，哈尔滨工业大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表了一项突破性研究。他们创新性地提出“楔形掺杂”策略：利用Ce³⁺
作为“分子楔子”插入CaTiO₃
晶格A位，通过扩大[TiO₆
]八面体间隙，成功将Hf⁴⁺
掺杂量提升至40 mol.%，同时将烧结温度降低200°C以上。该研究不仅解决了双相陶瓷的低温掺杂难题，更首次实现了ε_r
（21.5）、TCF（+2.1 ppm/°C）与Q×f（58,300 GHz）的协同优化。

研究团队采用固相法合成Ca(Ti_1-x
Hf_x
)O₃
陶瓷，通过XRD、SEM和微波介电性能测试系统分析材料特性。关键创新在于引入Ce³⁺
引发晶格畸变，降低Hf⁴⁺
掺杂活化能。实验设计包含对照组（纯Hf掺杂）和实验组（Ce-Hf共掺杂），通过对比烧结温度曲线和介电性能验证“楔形效应”。

【Hf掺杂在CaTiO₃
中的低温实现】
研究发现，单独Hf掺杂需1600°C烧结，而Ce-Hf共掺杂体系在1400°C即可实现40 mol.%掺杂。XRD显示Ce引入使晶格常数从3.82 ?增至3.85 ?，为Hf⁴⁺
（离子半径0.71 ?）取代Ti⁴⁺
（0.605 ?）创造空间。

【介电性能的协同优化】
Ce_0.02
Hf_0.4
共掺杂样品表现出最佳性能：ε_r
=21.5（提升15%），TCF=+2.1 ppm/°C（降低98%），Q×f=58,300 GHz（提升4%）。拉曼光谱证实[TiO₆
]八面体振动模式改变是性能提升的关键。

【烧结温度矛盾的解决】
差热分析显示Ce掺杂使CaTiO₃
烧结起始温度从1450°C降至1250°C，与MgTiO₃
烧结窗口（1300-1400°C）完美匹配，解决了双相陶瓷共烧结难题。

这项研究的意义远超材料本身：其一，“楔形掺杂”策略可推广至其他多相陶瓷体系；其二，为5G基站滤波器、毫米波天线等器件提供理想材料解决方案；其三，开创了通过晶格工程调控烧结动力学的新范式。正如研究者所言，该方法“不仅照亮了高性能双相陶瓷的制造之路，更为解决多相陶瓷选择性掺杂难题提供了创新路径”。值得注意的是，该技术已获国家自然科学基金和重点研发计划支持，展现出广阔的产业化前景。