上海硅酸鹽所ZnO導(dǎo)電陶瓷研究獲進(jìn)展

　　最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李國榮科研團(tuán)隊(duì)在ZnO導(dǎo)電陶瓷研究中取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過晶粒及晶界缺陷設(shè)計(jì)的方法，成功消除了ZnO晶界處的肖特基勢(shì)壘，制備出高導(dǎo)電的ZnO陶瓷，其室溫下的電導(dǎo)率高達(dá)1.9×105 Sm-1；同時(shí)缺陷設(shè)計(jì)也降低了材料的晶格熱導(dǎo)率，使該陶瓷呈現(xiàn)良好的高溫?zé)犭娦阅?，其?80K的功率因子達(dá)到了8.2×10-4 W m-1 K-2，較無缺陷設(shè)計(jì)的ZnO陶瓷提高了55倍。該研究發(fā)表在《材料學(xué)報(bào)》（Acta Materialia，2016, 119: 136-144)上。論文得到期刊審稿人的高度評(píng)價(jià)，審稿人認(rèn)為該結(jié)果對(duì)ZnO晶界勢(shì)壘以及電導(dǎo)的調(diào)控具有重要的借鑒意義。

　　ZnO具有來源豐富、價(jià)格低廉、無污染及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在光電、壓電、壓敏及熱電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。三價(jià)施主摻雜常常被用來提高ZnO材料的導(dǎo)電性，但是由于三價(jià)元素如Al3+在ZnO中的固溶度有限，導(dǎo)致電導(dǎo)率無法大幅提高；同時(shí)ZnO陶瓷中由于其本征缺陷而導(dǎo)致的晶界肖特基勢(shì)壘也進(jìn)一步降低了其電導(dǎo)率。因此，提高晶粒電阻，同時(shí)消除晶界肖特基勢(shì)壘是ZnO導(dǎo)電及熱電材料研究領(lǐng)域的難點(diǎn)問題。

　　該研究團(tuán)隊(duì)在高電導(dǎo)的ZnO陶瓷的制備以及晶界勢(shì)壘的調(diào)控方面進(jìn)行了創(chuàng)新性探索：通過還原性氣氛燒結(jié)，成功消除了ZnO晶界處的受主缺陷，使其晶界處的肖特基勢(shì)壘消失；與此同時(shí)，還原性氣氛燒結(jié)也提高了三價(jià)施主摻雜元素在ZnO晶粒中的固溶度，使材料的載流子濃度和遷移率均得到大幅度的提高。該研究還通過高分辨透射電鏡(HRTEM)、陰極發(fā)光(CL)發(fā)射譜及電子背散射衍射(EBSD)等多種表征手段進(jìn)一步證實(shí)了受主摻雜后晶粒晶界缺陷分布情況，發(fā)現(xiàn)摻雜在ZnO陶瓷的晶粒中引入大量缺陷，可同時(shí)降低ZnO的晶格熱導(dǎo)，成功實(shí)現(xiàn)了其電學(xué)性能和熱學(xué)性能的單獨(dú)調(diào)控，在導(dǎo)電及熱電陶瓷中有較好的應(yīng)用前景。

　　目前，高電導(dǎo)ZnO陶瓷的相關(guān)研究工作已申請(qǐng)兩項(xiàng)國家發(fā)明專利。另外，該團(tuán)隊(duì)還建立了結(jié)構(gòu)-性能模型，為ZnO陶瓷的晶界勢(shì)壘以及電學(xué)性能的研究工作提供了良好的研究基礎(chǔ)。

　　相關(guān)研究工作得到國家“863”項(xiàng)目（2013AA030801）及科技部國際科技合作專項(xiàng)（2013DFG51570）等項(xiàng)目的資助。

圖1. 空氣及還原性氣氛中燒結(jié)的ZnO導(dǎo)電陶瓷的電導(dǎo)率(左)與I-V曲線（右）

圖2. 空氣及還原性氣氛中燒結(jié)的ZnO導(dǎo)電陶瓷的CL譜（左圖）