Sintering behavior and microwave dielectric properties of 0.6Zn2−SiO4− (0.2 ≤x≤ 0.65)–0.4Zn0.17Nb0.33Ti0.5O2 ceramics with near-zero temperature coefficient of resonant frequency

The rapid development of 5G and 6G communication systems has created a strong demand for high-performance microwave dielectric ceramics, which are critical for supporting ultra-high-frequency signal transmission, device miniaturization, and thermal stability. Zn 2 SiO 4 ceramics are considered promising candidates for high-frequency wireless communication and packaging technology due to their low permittivity and ultra-low loss tangent. However, achieving a near-zero temperature coefficient of resonant frequency ( τ f ) at relatively low sintering temperatures remains a significant challenge. In this study, Zn 0.17 Nb 0.33 Ti 0.5 O 2 (ZNT) was introduced to tune the τ f value for Zn 2 SiO 4 ceramics, aiming to develop Zn 2 SiO 4 -based ceramic composites with near-zero τ f . The effects of varying Zn/Si ratios on the sintering behavior and microwave dielectric properties of 0.6Zn 2− x SiO 4− x –0.4ZNT (0.2 ≤ x ≤ 0.65) ceramics were systematically investigated. Optimal microwave dielectric properties of ɛ r = 12.75, Q × f = 37,182 GHz (at 10.805 GHz), and τ f ≈ −1.47 ppm/°C were obtained for the densified 0.6Zn 1.5 SiO 3.5 –0.4ZNT ceramic sintered at 1150 °C for 3 h. Furthermore, terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) measurements in the 0.4–1.2 THz range demonstrated excellent dielectric performance, highlighting the material's potential for next-generation communication applications. The favorable microwave and terahertz dielectric properties, combined with low-temperature sintering behavior, present new opportunities for the development of high-frequency wireless communication devices. El rápido desarrollo de los sistemas de comunicación 5G y 6G ha generado una fuerte demanda de cerámicas dieléctricas de microondas de alto rendimiento, las cuales son fundamentales para soportar la transmisión de señales de ultra alta frecuencia, la miniaturización de dispositivos y la estabilidad térmica. Las cerámicas de Zn 2 SiO 4 se consideran candidatas prometedoras para la comunicación inalámbrica de alta frecuencia y la tecnología de empaquetado debido a su baja permitividad y su bajo factor de pérdida. Sin embargo, lograr un coeficiente de temperatura de frecuencia resonante ( τ f) cercano a cero a temperaturas de sinterización relativamente bajas sigue siendo un desafío importante. En este estudio, se introdujo Zn 0,17 Nb 0,33 Ti 0,5 O 2 (ZNT) para ajustar el valor de τ f en cerámicas de Zn 2 SiO 4 , con el objetivo de desarrollar compuestos cerámicos basados en Zn 2 SiO 4 con τ f cercano a cero. Se investigaron sistemáticamente los efectos de variar la relación Zn/Si en el comportamiento de sinterización y las propiedades dieléctricas de las cerámicas 0,6Zn 2 −xSiO 4 −x−0,4ZNT (0,2 ≤ x ≤ 0,65). Se obtuvieron propiedades dieléctricas óptimas en microondas de ɛ r = 12,75, Q × f = 37.182 GHz (a 10.805 GHz) y τ f ≈ -1,47 ppm/̊C para la cerámica densificada 0,6Zn 1,5 SiO 3,5 −0,4ZNT, sinterizada a 1.150 ̊C durante 3 horas. Además, las mediciones de espectroscopía de dominio de tiempo en terahercios (THz-TDS) en el rango de 0,4 a 1,2 THz demostraron un rendimiento dieléctrico excelente, destacando el potencial del material para aplicaciones de comunicación de próxima generación. Las propiedades dieléctricas favorables en microondas y terahercios, junto con su comportamiento de sinterización a baja temperatura, abren nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos de comunicación inalámbrica de alta frecuencia.