隨著移動通信需求的迅猛增長，無線通信技術(shù)逐漸向毫米波和亞毫米波方向發(fā)展。作為現(xiàn)代無線技術(shù)重要的推動者，微波陶瓷通過其優(yōu)異的介電性能，已成為促進(jìn)無線設(shè)備小型化和集成化的基本組成部分。在眾多微波陶瓷體系中，具有復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(BZN)微波陶瓷憑借其優(yōu)異的介電性能（介電常數(shù)：40，品質(zhì)因子：80,000GHz），已被廣泛應(yīng)用于諧振器和濾波器等無線通訊領(lǐng)域。然而，毫米波通信技術(shù)的到來對微波介質(zhì)陶瓷提出了更加嚴(yán)格的要求，包括體積小型化、功能集成化以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜化等。受限于微波陶瓷材料固有的硬度和脆性等特性，因此，加工和制備具有復(fù)雜幾何形狀的微波陶瓷器件面臨著極大的挑戰(zhàn)。

近期，北京大學(xué)深圳研究生院李昊博士后、國家納米科學(xué)中心劉飛博士后及河北工業(yè)大學(xué)程立金老師通過摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)(microArch^® S240，精度：10μm)成功制備了高性能的復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BZN微波陶瓷。同時，報(bào)導(dǎo)了光固化復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波陶瓷中B位1：2有序疇結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并設(shè)計(jì)制備了圓柱形介質(zhì)諧振器天線，實(shí)測中心頻率為7.1GHz，帶寬達(dá)590MHz，輻射效率超過90%，驗(yàn)證了光固化成形復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BZN陶瓷在高頻器件中的實(shí)際應(yīng)用價值。同時該研究為3D打印功能陶瓷的商業(yè)化應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“Microstructure and Microwave Properties of Complex Perovskite-Structured Ba(Zn_1/3Nb_2/3)O₃ Ceramics and Dielectric Resonator Antenna by Digital Light Processing Technology”為題發(fā)表在《Journal of the European Ceramic Society》期刊上。

首先，作者通過傳統(tǒng)固相合成法制備出平均粒徑為900納米的BZN微波陶瓷粉末。并通過噴霧干燥工藝將亞微米粒徑的陶瓷粉末預(yù)團(tuán)聚成直徑10微米至40微米左右的球形顆粒，以此來降低陶瓷粉末團(tuán)聚現(xiàn)象，并可以提高陶瓷漿料的固相含量（圖1）。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)分散劑含量，制備出固相含量為82wt%的BZN陶瓷漿料。

圖1. BZN微波陶瓷粉末表征。

光固化打印樣品在1350攝氏度至1450攝氏度燒結(jié)4小時。通過XRD技術(shù)表征技術(shù)發(fā)現(xiàn)：燒結(jié)溫度低于1400攝氏度時，樣品中存在由B位1：2有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的超晶格衍射峰（2θ = 17.7°），當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到或超過1400攝氏度時，超晶格衍射峰消失。B位1：2有序結(jié)構(gòu)是決定復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)微波陶瓷介電損耗的關(guān)鍵因素。此外，B位有序結(jié)構(gòu)的形成受動力學(xué)因素控制。為了提高光固化BZN陶瓷的介電性能，燒結(jié)樣品在1300攝氏度條件下進(jìn)行了24小時的退火處理。結(jié)合TEM電鏡表征發(fā)現(xiàn)，退火樣品中存在明顯的超晶格電子衍射斑點(diǎn)。高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）通過觀察兩種不同的晶格間距：0.71納米，對應(yīng)有序結(jié)構(gòu)；0.41納米，對應(yīng)無序立方結(jié)構(gòu)，直接證明了光固化BZN樣品中B位1：2有序疇結(jié)構(gòu)的存在（圖2）。通過退火處理，光固化樣品中有序度最大提高至81.31%，退火處理后樣品呈現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能：介電常數(shù)為38.9，品質(zhì)因子為89,600GHz，諧振頻率溫度系數(shù)為22ppm/℃。

圖2. 光固化BZN樣品B位1：2有序結(jié)構(gòu)表征。

在此基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)并制備了圓柱形BZN介質(zhì)諧振天線（圖3），由于介質(zhì)諧振塊具有顯著的共振和輻射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了超帶寬范圍的高輻射效率：實(shí)測通帶帶寬為590MHz（6.76GHz至7.35GHz），輻射效率超過90%，實(shí)測中心頻率為7.1GHz。以上研究驗(yàn)證了通過光固化技術(shù)制備的微波介質(zhì)陶瓷在高頻通訊技術(shù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

圖3. 光固化BZN介質(zhì)諧振天線測試結(jié)果。