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上海硅酸盐所ZnO导电陶瓷研究取得重要进展
2018-01-19 16:20:29 | 【 【打印】【关闭】

  最近,中国科学院上海硅酸盐研究所李国荣研究员科研团队在ZnO导电陶瓷研究中取得重要进展。该团队通过晶粒及晶界缺陷设计的方法,成功消除了ZnO晶界处的肖特基势垒,制备出高导电的ZnO陶瓷,其室温下的电导率高达1.9×105 Sm-1;同时缺陷设计也降低了材料的晶格热导率,使该陶瓷呈现良好的高温热电性能,其在980K的功率因子达到了8.2×10-4 W m-1 K-2,较无缺陷设计的ZnO陶瓷提高了55倍。本研究发表在Acta Materialia (2016, 119: 136-144)。论文得到期刊审稿人的高度评价,审稿人认为该结果对ZnO晶界势垒以及电导的调控具有重要的借鉴意义。 

  ZnO具有来源丰富、价格低廉、无污染及化学稳定性好等优点,在光电、压电、压敏及热电等领域有着广泛的应用前景。价施主掺杂常常被用来提高ZnO材料的导电性,但是由于价元素如Al3+ZnO中的固溶度有限,导致电导率无法大幅提高;同时ZnO陶瓷中由于其本征缺陷而导致的晶界肖特基势垒也进一步降低了其电导率。因此,提高晶粒电阻,同时消除晶界肖特基势垒是ZnO导电及热电材料研究领域的难点问题。 

  该研究团队在高电导的ZnO陶瓷的制备以及晶界势垒的调控方面进行了创新性地探索:通过还原性气氛烧结,成功消除了ZnO晶界处的受主缺陷,使其晶界处的肖特基势垒消失;与此同时,还原性气氛烧结也提高了三价施主掺杂元素在ZnO晶粒中的固溶度,使材料的载流子浓度和迁移率均得到大幅度的提高。该研究还通过高分辨透射电镜(HRTEM)、阴极发光(CL)发射谱及电子背散射衍射(EBSD)等多种表征手段进一步证实了受主掺杂后晶粒晶界缺陷分布情况,发现掺杂在ZnO陶瓷晶粒中引入大量缺陷,可同时降低ZnO的晶格热导,成功的实现了其电学性能和热学性能的单独调控,在导电及热电陶瓷中有较好的应用前景。 

  目前,高电导ZnO陶瓷的相关研究工作已申请两项国家发明专利。另外,该团队还建立了结构-性能模型,为ZnO陶瓷的晶界势垒以及电学性能的研究工作提供了良好的研究基础。 

  相关研究工作得到国家“863”项目(2013AA030801)及科技部国际科技合作专项(2013DFG51570)等项目的资助。 

1. 空气及还原性气氛中烧结的ZnO导电陶瓷的电导率()I-V曲线(右) 

2. 空气及还原性气氛中烧结的ZnO导电陶瓷的CL谱(左图)

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