多晶氧化物陶瓷材料由于晶粒和晶界表現(xiàn)出的半導(dǎo)體特性，豐富了其在功能陶瓷材料領(lǐng)域應(yīng)用的多樣性。然而，如何通過缺陷工程來調(diào)控晶粒能帶結(jié)構(gòu)和晶界勢壘，對于實(shí)現(xiàn)高性能電子器件至關(guān)重要。
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近日，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所常愛民研究員團(tuán)隊(duì)通過對CaCu3Ti4O12（CCTO）陶瓷材料晶粒和晶界效應(yīng)的研究，深度剖析了CCTO陶瓷材料電性能在高溫區(qū)非線性的物理機(jī)制；通過Fe3+誘導(dǎo)CCTO陶瓷材料的能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了CCTO陶瓷材料電性能在高溫區(qū)的線性化。
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圖. CaCu3Ti4O12基熱敏材料高溫區(qū)線性化機(jī)理
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該團(tuán)隊(duì)結(jié)合阻抗譜和第一性原理的分析方法，發(fā)現(xiàn)CCTO陶瓷材料的晶粒電阻率在575 K以后會(huì)表現(xiàn)出異常的PTC（PTC，Positive Temperature Coefficient）特性，這是導(dǎo)致CCTO陶瓷材料lnρ-1000/T曲線在高溫區(qū)非線性的主要原因。Fe3+可以改變CCTO材料的能帶結(jié)構(gòu)，第一性原理計(jì)算表明，F(xiàn)e3+摻雜使材料的禁帶變窄，并且在禁帶中誘發(fā)出了新的雜質(zhì)能級，這與由阻抗譜得出的晶粒電阻率與溫度的依賴關(guān)系向低溫區(qū)偏移的結(jié)論相符。這種偏移導(dǎo)致晶粒電阻率在應(yīng)用溫域以內(nèi)沒有單調(diào)的變化，從而增強(qiáng)了CCTO材料的lnρ-1000/T曲線在高溫區(qū)的線性度。此外，F(xiàn)e3+可以通過改變晶界的活化能在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)CCTO材料的活化能，從而擴(kuò)大了CCTO陶瓷材料的應(yīng)用溫區(qū)。該研究方法中基于Fe3+摻雜對陶瓷晶粒和晶界的調(diào)控機(jī)制，為多晶半導(dǎo)體陶瓷材料的研究提供了一條新的途徑。
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相關(guān)研究成果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》（Appl. Phys. Lett. 2022，121, 032102）上，中科院新疆理化技術(shù)研究所為第一完成單位。研究生武銳鋒為第一作者，導(dǎo)師張博研究員為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、西部青年學(xué)者等項(xiàng)目的資助。
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來源：中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所?
論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0096124
原文鏈接：http://www.xjipc.cas.cn/xwnew/kyjz/202207/t20220721_6488353.html