Giant dielectric tunability in ferroelectric ceramics with ultralow loss by ion substitution design

材料科学 电介质 铁电性 陶瓷 介电损耗 相变 离子半径 高-κ电介质 离子 光电子学 凝聚态物理 复合材料 有机化学 化学 物理
作者
Ruitao Li,Diming Xu,Chao Du,Qiang Ma,Feng Zhou,Liang Xu,Dawei Wang,Zhongqi Shi,Wenfeng Liu,Di Zhou
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-48264-7
摘要

Abstract Due to their responsiveness to modulation by external direct current fields, dielectric tunable materials are extensively utilized in integrated components, such as ferroelectric phase shifters. Barium strontium titanate ceramics have been considered the most potential tunable materials for a long time. However, the significant dielectric loss and high voltage drive have limited their further applications. Recently, Bi 6 Ti 5 WO 22 ceramic has regained attention for its high dielectric tunability with low loss. In this study, we judiciously introduce Nb 5+ with a larger ionic radius, replacing Ti 4+ and W 6+ . This successful substitution enables the modulation of the phase transition temperature of Bi 6 Ti 5 WO 22 ceramics to room temperature, resulting in superior tunable properties. Specifically, the 0.7Bi 6 Ti 5 WO 22 −0.3Bi 6 Ti 4 Nb 2 O 22 ceramics exhibit giant tunability (~75.6%) with ultralow loss (<0.002) under a low electric field (1.5 kV/mm). This tunability is twice that of barium strontium titanate ceramics with a similar dielectric constant and only one-tenth of the loss. Neutron powder diffraction and transmission-electron-microscopy illustrate the nanodomains and micro-strains influenced by ion substitution. Density functional theory simulation calculations reveal the contribution of ion substitution to polarization. The research provides an ideal substitute for tunable material and a general strategy for adjusting phase transition temperature to improve dielectric properties.
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