中國粉體網(wǎng)訊  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，對于實現(xiàn)高性能電子器件至關(guān)重要。 

近日，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員常愛民團隊通過對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)非線性的物理機制；通過Fe³⁺誘導(dǎo)CCTO陶瓷材料的能帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了CCTO陶瓷材料電性能在高溫區(qū)的線性化。 

該團隊結(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以后會表現(xiàn)出異常的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)控機制，為多晶半導(dǎo)體陶瓷材料的研究提供了新的途徑。 

相關(guān)研究成果發(fā)表在《應(yīng)用物理快報》（Appl. Phys. Lett. 2022，121, 032102）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。 

CaCu₃Ti₄O₁₂基熱敏材料高溫區(qū)線性化機理

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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