美国科学家研发“增强陶瓷”，助力高频5G技术发展

5G（第五代宽带蜂窝网络技术标准），被认为是实现了超快的下载速度，结束了通话中断和缓冲现象，以及更强的连通性，以推进自动驾驶汽车开发、远程手术和物联网的发展。

总部位于加州的先进半导体公司Skyworks Solutions的技术总监Michael Hill日前表示，事实上，5G技术的采用仍处于早期阶段。在由美国物理联合会（AIP）出版的《应用物理快报》上发表的论文中，Hill和他的同事概述了新兴5G技术，并展示了增强陶瓷材料如何在5G发展中发挥关键作用。

陶瓷材料长期以来一直用于移动设备和基站的无线通信网络技术。因此，增强型陶瓷一直是提高5G能力的中心重点。而Hill的研究小组就开发了一种陶瓷，用于增强一种对5G应用至关重要的设备——循环器。

循环器通常由钇铁石榴石制成的绝缘陶瓷材料制成，是一种三端口设备，充当交通圈，使信号保持在一个方向流动，并使接收器和发射器共用一个天线。为了显著增加能量密度以适应更高的频率，研究人员用铋部分取代了钇，铋是一种重元素，可以增加陶瓷的介电常数，取代铋也使循环器小型化。

多年来，众多研究者尝试过用其它稀土物质掺杂钇铁石榴石来解决一些问题。

===多晶Bi取代钇铁石榴石===

我国研究者曾用多晶Bi取代钇铁石榴石的介电频率行为。并用固相反应法制备了成分为Y3-xBixFe5O12的样品。用阻抗分析仪测量了频率范围为1KHz到1GHz的相对介电常数（εr）和损耗角正切（tanδ），用直流电压源和微安表测试了材料的体积电阻率。结果表明，在低于100KHz的频率下，Bi取代大大降低了钇铁石榴石的相对介电常数和损耗角正切，并增加了材料的体积电阻率。

===La掺杂对钇铁石榴石===

有研究者采用传统的固相烧结法制备了La掺杂的Y3Fe5O12系列陶瓷样品，详细研究了La掺杂对其磁性和磁介电性能的影响。研究结果表明：随着La掺杂量的增加，饱和磁化强度和本征磁介电效应先增加后减小，归因于Fe2+离子含量的非单调变化。分析认为，具有较大离子半径的La3+对Y3+替代导致Y3Fe5O12晶格扩张和可能的离子移位，这两个因素的竞争作用引起Fe2+含量随La含量的增加先增加后减小。Fe2+离子含量的非单调变化导致饱和磁化强度和磁介电效应的相应变化趋势，并在La含量为0.3时同时获得了大的饱和磁化强度和磁介电效应，在106hZ和0.9T条件下的室温磁介电系数达-5%。这说明非磁性大离子半径掺杂可以有效调控YIG材料的磁性和磁介电效应。

===锆掺杂钇铁石榴石===

通过溶胶－凝胶法制备了Zr掺杂的掺杂量为x=0～0.5的(Y3-xCax)(Fe5-xZrx)O12，用1100℃低温烧结便可获得纯相YIG的掺杂样品。随着Zr掺杂量的增多，XＲD射线衍射峰逐渐向低角度偏移，计算得到的晶格常数呈现递增趋势，说明晶胞体积在增大。磁性能表征发现当掺杂量x=0.3时，样品的Ms值最大。继续增大掺杂量，由于超交换作用削弱导致磁性呈减小趋势。样品的Hc随掺杂量增大整体呈下降趋势，这是由于Zr作为一种非磁性离子，它的掺入可以减小YIG的磁晶各向异性常数，使得掺杂样品的矫顽力减小。

随着5G技术之争持续升温，大功率氮化镓开关可能会取代循环器，这表明5G技术的发展仍处于早期阶段。Hill说：“在一段时间内，毫米波技术很可能仍将处于西部的蛮荒地带，因为一种技术可能只会很快被另一种技术取代。”

参考来源：

[1]美国科学家研发“增强陶瓷” 在高频5G技术发展中或发挥关键作用.财联社

[2]吴花蕊等.La掺杂对钇铁石榴石陶瓷磁性及磁介电性能的影响

[3]王鹭杰等.低温烧结锆掺杂钇铁石榴石(YIG)的磁性能研究