协同A位共掺杂(Na1/2Bi1/2)xBa1?xZn1/3Nb2/3O3钙钛矿的掺杂机制、微观结构与阻抗特性研究

为解决5G网络和电子设备对高性能介电材料的需求，马来西亚布特拉大学团队通过固相反应法合成(Na1/2Bi1/2)xBa1?xZn1/3Nb2/3O3（BNBZN）钙钛矿。研究发现协同掺杂使烧结温度从1200°C降至950°C，x=0.2组分在1MHz下获得最优介电性能（ε′=56.8，tanδ=0.0096），阻抗分析显示晶界主导的导电机制。该成果为低温共烧陶瓷（LTCC）技术提供了新材料解决方案。

　　

随着5G网络和电动汽车的快速发展，电子器件对高性能介电材料的需求呈现爆发式增长。传统Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃（BZN）钙钛矿虽具有优异介电性能，但存在烧结温度高（>1300°C）、与银电极兼容性差等瓶颈问题。如何在不牺牲性能的前提下降低烧结温度，成为该领域亟待解决的科学难题。

马来西亚布特拉大学（Universiti Putra Malaysia）的研究团队创新性地提出A位协同掺杂策略，通过将(Na_1/2Bi_1/2)²⁺引入BZN钙钛矿的A位，系统研究了掺杂浓度（x=0.1-0.4）对材料结构、烧结行为和电学性能的影响。这项发表在《Journal of Science and Medicine in Sport》的研究，揭示了瞬态相Na_0.13Bi_1.87O_2.87和ZnNb₂O₆在降低反应活化能中的关键作用。

研究人员采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、透射电镜（TEM）和阻抗谱等表征技术，结合Rietveld精修和Williamson-Hall分析方法，系统研究了材料的晶体结构、微观形貌和介电性能。通过热重-差热分析（TG-DTA）确定了最佳合成温度，并利用X射线光电子能谱（XPS）分析了氧空位浓度变化。

3.1 热分析与结构研究

TG-DTA显示Na_0.13Bi_1.87O_2.87中间相在400°C形成，促使反应温度降低。XRD精修证实所有组分均保持立方相（Pm-3m），晶格常数随x增加线性减小（4.092→4.071 ?），符合Vegard定律。拉曼光谱发现Bi³⁺的6s²孤对电子引起局部结构畸变，导致A_1g(O)模式展宽，表明B位有序度降低。

3.2 微观结构表征

SEM显示x=0.2组分在1100°C烧结获得最大晶粒尺寸（2.45μm），相对密度达95%。TEM-EDS证实元素均匀分布，SAED图谱显示典型立方结构衍射斑点。XPS分析表明O 1s谱中吸附氧与晶格氧面积比降至0.54，证实氧空位浓度减少，这与阻抗谱测得的高活化能（2.01eV）相互印证。

3.3 介电性能研究

介电测试显示x=0.4组分ε′最高（92.1），但x=0.2具有最优综合性能（ε′=56.8，tanδ=0.0096）。Clausius-Mossotti方程计算显示极化率密度（α_theo./V_m）保持0.22-0.23 ?^-3，证实介电增强主要源于Bi³⁺偶极极化。堆积分数（P.F.）从76.6%（x=0.1）降至74.7%（x=0.4），与tanδ变化趋势一致。

3.4 阻抗谱分析

Cole-Cole图谱拟合显示单一弛豫过程，M″与Z″峰重叠证实晶粒主导的导电机制。x=0.2组分表现出最高电阻，活化能达2.01eV，对应最低的氧空位浓度。高温区（>500°C）的导电行为符合混合传导模型，包含电子传导和氧空位介导的离子传导。

该研究通过精准的A位化学调控，实现了BZN钙钛矿烧结温度的大幅降低（300-350°C），同时保持优异介电性能。特别值得注意的是，x=0.2组分在1100°C烧结获得的tanδ值（0.0096）优于多数文献报道的BZN基材料，且与商业银电极的共烧温度兼容。瞬态相辅助烧结机制的阐明为设计新型LTCC材料提供了理论指导，而Bi/Na协同掺杂策略可拓展至其他钙钛矿体系。这些发现对推动5G滤波器、微波电容器等电子元件的微型化集成具有重要应用价值。