综述：新型低介电常数Na?Nd(WO?)?陶瓷的烧结行为、晶体结构及其介电性能，适用于LTCC（低温共烧陶瓷）应用

《Journal of Alloys and Compounds》：Sintering behavior, crystal structure and dielectric properties of novel low permittivity Na 5Nd(WO 4) 4 ceramics for LTCC applications

低介电常数和高品质因数微波陶瓷材料Na5Nd(WO4)4通过固相反应法成功合成，其烧结行为、晶体结构和介电性能在650-690℃范围内系统研究。XRD和Rietveld精修确认材料为单相四方 scheelite型结构（空间群I4?/a），最佳烧结温度680℃时相对密度达97.39%，ε_r=7.57，Q×f=44509 GHz，且与20%银共烧无反应。该材料具有低温烧结（<960℃）和优异微波性能，适用于低温度系数谐振器等高频微波器件的LTCC基板。

　　

马一文|刘彦军|杨青兰|张文杰|周天|黄芳毅|周焕福

教育部有色金属与新材料加工新技术重点实验室，桂林理工大学光学与电子材料与器件广西重点实验室，中国桂林，541004

摘要

采用传统的固态反应方法成功合成了Na₅Nd(WO₄)₄陶瓷。在650-690℃的烧结温度范围内系统研究了其烧结行为、晶体结构和介电性能。X射线衍射和Rietveld精修确认了其单相四方纤锌矿型（空间群I_4a）的结构。在680℃下烧结的陶瓷具有97.39%的高相对密度（ρ_re），7.57的低介电常数（ε_?）和44509 GHz的高品质因数（Q×f）。与20 wt%银共烧实验表明，两者之间没有发生反应或相分解，表现出优异的化学相容性。因此，Na₅Nd(WO₄)₄被认为是高频微波应用中LTCC（低温共烧陶瓷）基片的有希望的候选材料。

引言

包括5G网络、卫星广播和雷达技术在内的无线通信技术的快速发展，对微波介电材料提出了前所未有的要求[1][2][3]。为了满足小型化和高速设备的严格性能要求，理想的候选材料应具有低介电常数（ε_?），以减少信号传播延迟和元件尺寸；高品质因数（Q×f），以确保频率选择性和低能量损耗；以及接近零的共振频率温度系数（τ_f），以保证温度稳定性[4][5]。此外，随着低温共烧陶瓷（LTCC）技术在多层电路集成中的广泛应用，尤其是与低成本且高导电性的银电极结合使用时，低烧结温度（<960℃）已成为材料选择的关键标准[6][7]。

在这种背景下，基于钨酸盐和钼酸盐的陶瓷因其结构多样性、低烧结温度和高品质因数（Q×f）而越来越受到研究关注[8]。例如，Zhai等人报告称，LiKSm₂(MoO₄)₄陶瓷在低至620℃的烧结温度下表现出优异的微波介电性能，实现了ε_? = 11.5、Q×f = 39000 GHz和τ_f = -15.9 ppm/℃[9]。这些发现突显了复杂氧阴离子系统在LTCC兼容微波应用中的潜力。然而，以往关于碱土稀土钨酸盐陶瓷的研究主要集中在它们的结构、光学和磁性特性上。例如，H?mmer等人全面研究了Na₅M(WO₄)₄（M = Y, La-Nd, Sm-Lu, Bi）化合物的相演变、热行为和光学特性，揭示了它们与镧系元素相关的晶体学趋势[10]。然而，它们的微波介电行为尚未得到充分探索，特别是Na₅Nd(WO₄)₄体系。

为填补这一空白，本研究重点采用传统的固态反应方法合成了Na₅Nd(WO₄)₄陶瓷，并对其在不同烧结温度下的烧结行为、晶体结构和介电性能进行了全面分析。此外，还评估了其与银电极的共烧兼容性，以评估其在LTCC基微波器件中的应用可行性。为了进一步突出其优势，表1简要比较了Na₅Nd(WO₄)₄与文献中报道的几种代表性LTCC兼容微波介电陶瓷。显然，Na₅Nd(WO₄)₄结合了低ε_?、有竞争力的Q×f值，尤其是更低的最佳烧结温度，使其在LTCC领域具有很高的吸引力。这些结果旨在为下一代无线通信技术中实用的低温加工介电陶瓷的发展提供新的方向[11]。

材料合成

陶瓷材料的性能本质上取决于其化学成分和加工条件。在本研究中，使用高纯度的Na₂CO₃（≥98%，上海国药化学试剂有限公司）、Nd₂O₃（≥99.9%，广西国胜稀土新材料有限公司）和WO₃（≥99%，上海国药化学试剂有限公司）作为原料，通过传统的固态反应方法合成了Na₅Nd(WO₄)₄陶瓷。

结果与讨论

图1显示了在650℃至690℃温度范围内烧结4小时的Na₅Nd(WO₄)₄陶瓷样品的XRD数据（2θ范围为5°至90°）。每个温度下观察到的衍射峰与标准参考图案（PDF#96-770-4468）非常吻合，表明样品是纯的单相物质。这些结果表明，通过该方法成功制备出了具有纤锌矿型四方晶体结构的纯Na₅Nd(WO₄)₄陶瓷。

结论

通过传统的固态反应方法成功制备了Na₅Nd(WO₄)₄陶瓷，并系统研究了其晶体结构、微观结构、介电性能以及与银电极的化学相容性。XRD的Rietveld精修确认该陶瓷结晶为四方纤锌矿结构，空间群为I_4a。最佳烧结温度为680℃，此时陶瓷的相对密度（ρ_re为97.39%，平均晶粒尺寸为

作者贡献声明

周焕福：撰写、审稿与编辑、监督、方法学研究、资金申请。黄芳毅：撰写、审稿与编辑、验证、方法学研究。周天：数据管理。张文杰：撰写、审稿与编辑、监督、软件使用、数据管理。杨青兰：数据可视化、软件使用、资源管理、数据管理。刘彦军：撰写、审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理。马一文：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了广西自然科学基金项目（2024GXNSFDA010060）、广西科技计划项目（GuikeAD25069100）和桂林市科学研究与技术开发计划项目（20230120-8）的支持。