随着5G通信技术发展及6G通信研究推进，微波介质陶瓷在带通滤波器、介质谐振天线和低损耗基板等器件中的应用受到关注。面向高频通信，这类材料需要兼顾低介电常数（εr）、高品质因数（Q×f）和良好的谐振频率温度稳定性（τf），但这些性能之间往往存在制约关系，难以同时优化。

钒酸盐锆石型陶瓷（AVO₄，A为三价稀土阳离子）具有较低的介电常数，是微波介质陶瓷的候选材料之一。然而，传统单一稀土阳离子体系通常存在谐振频率温度系数（τf）较大负值、品质因数偏低等问题。高熵设计能够提高材料的晶格稳定性，改善介电损耗，但温度稳定性仍有进一步优化的空间。

近日，桂林理工大学相怀成教授团队将构型熵调控与Bi³⁺定向掺杂相结合，通过调节材料组分及相结构，实现了高品质因数与近零谐振频率温度系数的兼顾。相关研究发表于2026年10月12日的《Journal of Advanced Ceramics》。

(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)_1-xBi_ₓVO₄陶瓷通过构型熵减少和Bi³⁺取代，从四方锆石转变为单斜白钨矿，实现了接近零的τf和优异的Q×f

高熵调控结合Bi³⁺掺杂，调节介电性能

研究团队采用传统固相反应法，制备了不同Bi³⁺掺杂含量的(La_0.2Ce_0.2Nd_0.2Sm_0.2Eu_0.2)_1-xBi_ₓVO₄陶瓷。随着Bi³⁺逐步取代A位稀土阳离子，材料的构型熵从高熵状态逐渐降低，并伴随晶相演变，为调节微波介电性能提供了新的手段。

研究结果显示，随着Bi³⁺含量增加，材料的相对介电常数（εr）由12.53逐渐升高至60.91；品质因数与谐振频率的乘积（Q×f）则由96870 GHz（x=0.05）下降至18768 GHz（x=0.9）。尽管品质因数随掺杂量增加而降低，但相关组分的Q×f仍高于纯白钨矿结构BiVO₄约6500 GHz的水平。

通过调节Bi³⁺含量及材料的构型熵，研究团队获得了两种具有近零τf的陶瓷组分：

l LBV@0.1：单相锆石结构，τf为+8.5 ppm/℃，Q×f达到88,120 GHz。

l LBV@0.8：锆石/白钨矿复合相结构，τf为+10.7 ppm/℃。

两种组分均实现了接近零的谐振频率温度系数，同时保持较高的品质因数。其中，LBV@0.1在接近零τf的同时，表现出更高的Q×f。

为高频通信器件提供材料设计思路

对于微波介质陶瓷而言，较高的Q×f有助于降低介电损耗，而接近零的τf则有利于减小温度变化引起的谐振频率漂移。两者的兼顾，对滤波器、介质谐振天线等高频器件的性能具有重要意义。

该研究表明，构型熵并非越高越好。通过将高熵状态下的晶格稳定性与Bi³⁺掺杂带来的极化特性调节相结合，并控制材料的相演变，可以在同一材料体系中获得不同的性能组合，为微波介质陶瓷的组分设计提供了新的思路。

研究团队认为，这一策略有望拓展至其他微波介质材料体系，为5G/6G通信系统中的滤波器、天线及射频集成模块提供候选材料。

论文链接：https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221395

粉体圈 Coco编译