白云石与稀土离子对(H3BO3+ZnO+MgO+P2O5)玻璃结构、介电及机械性能的调控机制研究

本研究通过熔融淬火技术制备了掺杂Dy3+/Nd3+的硼磷酸盐玻璃，X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)证实其非晶特性。研究发现稀土离子通过增大离子半径阻碍载流子迁移，使介电常数(ε',ε'')随频率升高而降低，交流电导率(AC conductivity)与稀土含量呈负相关。该材料优异的介电性能和机械强度，为微电子层间介电材料(interlayer dielectrics)提供了新选择。

　　

Highlight

材料

所有使用的氧化物原料(H₃BO₃、ZnO、MgO和P₂O₅)均购自牛津实验室，而氧化镝和氧化钕则来自Sigma-Aldrich（纯度99.9%）。白云石(CaMg(CO₃)₂)采自埃及苏伊士矿区，经清洗研磨成细粉。

样品合成

采用传统熔融淬火技术制备三个玻璃系列：

1. 1.

   基础配方：(48-X)H₃BO₃+28ZnO+18MgO+6P₂O₅+X白云石（X=0-10）

2. 2.

   钕掺杂系列：(42-Y)基础配方+6白云石+Y Nd₂O₃（Y=0.2-1）

3. 3.

   镝掺杂系列：(42-Z)基础配方+6白云石+Z Dy₂O₃（Z=0.02-0.1）

X射线衍射(XRD)

图2(a,b,c)显示三个玻璃系列的XRD图谱，所有样品均呈现典型非晶态"馒头峰"，且在2θ=30°处出现锌离子催化形成的成核峰。随着钕含量增加，馒头峰最大值向低角度偏移，暗示稀土离子导致玻璃网络结构膨胀。

结论

通过熔融淬火技术成功制备的Dy³⁺/Nd³⁺掺杂硼磷酸盐玻璃，其XRD图谱显示典型的非晶特征，并在30°处存在锌离子催化的成核峰。选区电子衍射(SAED)图案中弥散环与离散斑点的共存，证实样品中同时存在非晶相和微晶相。