CaCu3Ti₄O₁₂(以下簡(jiǎn)稱CCTO)陶瓷是一種非鉛基的、具有高介電常數(shù)且不隨溫度明顯變化的新型高介電陶瓷材料，也被稱為類鈣鈦礦型非鐵電巨介電非線性壓敏陶瓷材料，因其超常的巨介電常數(shù)及熱穩(wěn)定性而表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

近日，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員常愛(ài)民團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)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(guò)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。研究成果發(fā)表于“應(yīng)用物理快報(bào)”。

論文地址：https://doi.org/10.1063/5.0096124

多晶半導(dǎo)體材料具有價(jià)格低廉、易于制造、應(yīng)用前景廣闊等優(yōu)點(diǎn)。然而，晶界的存在使其與單晶材料有著本質(zhì)的區(qū)別，帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)，也帶來(lái)了很多不足。如何通過(guò)缺陷工程調(diào)節(jié)晶粒的能帶結(jié)構(gòu)和GBs的勢(shì)壘對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能電子器件至關(guān)重要。

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575K以后會(huì)表現(xiàn)出異常的正溫度系數(shù)（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。

CCTO基熱敏材料高溫區(qū)線性化機(jī)理

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(jí)，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(méi)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(guò)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(duì)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新的途徑。

參考來(lái)源：中科院網(wǎng)站

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