多晶氧化物陶瓷材料由于晶粒和晶界表現出的半導體特性，豐富了其在功能陶瓷材料領域應用的多樣性。然而，如何通過缺陷工程來調控晶粒能帶結構和晶界勢壘，對于實現高性能電子器件至關重要。

?

近日，中國科學院新疆理化技術研究所常愛民研究員團隊通過對CaCu3Ti4O12（CCTO）陶瓷材料晶粒和晶界效應的研究，深度剖析了CCTO陶瓷材料電性能在高溫區非線性的物理機制；通過Fe3+誘導CCTO陶瓷材料的能帶結構，實現了CCTO陶瓷材料電性能在高溫區的線性化。

?

圖. CaCu3Ti4O12基熱敏材料高溫區線性化機理

?

該團隊結合阻抗譜和第一性原理的分析方法，發現CCTO陶瓷材料的晶粒電阻率在575 K以后會表現出異常的PTC（PTC，Positive Temperature Coefficient）特性，這是導致CCTO陶瓷材料lnρ-1000/T曲線在高溫區非線性的主要原因。Fe3+可以改變CCTO材料的能帶結構，第一性原理計算表明，Fe3+摻雜使材料的禁帶變窄，并且在禁帶中誘發出了新的雜質能級，這與由阻抗譜得出的晶粒電阻率與溫度的依賴關系向低溫區偏移的結論相符。這種偏移導致晶粒電阻率在應用溫域以內沒有單調的變化，從而增強了CCTO材料的lnρ-1000/T曲線在高溫區的線性度。此外，Fe3+可以通過改變晶界的活化能在很大范圍內調節CCTO材料的活化能，從而擴大了CCTO陶瓷材料的應用溫區。該研究方法中基于Fe3+摻雜對陶瓷晶粒和晶界的調控機制，為多晶半導體陶瓷材料的研究提供了一條新的途徑。

?

相關研究成果發表在《應用物理快報》（Appl. Phys. Lett. 2022，121, 032102）上，中科院新疆理化技術研究所為第一完成單位。研究生武銳鋒為第一作者，導師張博研究員為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、西部青年學者等項目的資助。

?
?

來源：中國科學院新疆理化技術研究所?

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