CaCu3Ti4O12(以下简称CCTO)陶瓷是一种非铅基的、具有高介电常数且不随温度明显变化的新型高介电陶瓷材料，也被称为类钙钛矿型非铁电巨介电非线性压敏陶瓷材料，因其超常的巨介电常数及热稳定性而表现出广泛的应用前景。

近日，中国科学院新疆理化技术研究所研究员常爱民团队通过对CCTO陶瓷材料晶粒和晶界效应的研究，深度剖析了CCTO陶瓷材料电性能在高温区非线性的物理机制；通过Fe3+诱导CCTO陶瓷材料的能带结构，实现了CCTO陶瓷材料电性能在高温区的线性化。研究成果发表于“应用物理快报”。

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

多晶半导体材料具有价格低廉、易于制造、应用前景广阔等优点。然而，晶界的存在使其与单晶材料有着本质的区别，带来了很多优点，也带来了很多不足。如何通过缺陷工程调节晶粒的能带结构和GBs的势垒对于实现高性能电子器件至关重要。

团队结合阻抗谱和第一性原理的分析方法，发现CCTO陶瓷材料的晶粒电阻率在575K以后会表现出异常的正温度系数（PTC，Positive Temperature Coefficient）特性，这是导致CCTO陶瓷材料lnρ-1000/T曲线在高温区非线性的主要原因。

CCTO基热敏材料高温区线性化机理

Fe3+可以改变CCTO材料的能带结构，第一性原理计算表明，Fe3+掺杂使材料的禁带变窄，并且在禁带中诱发出了新的杂质能级，这与由阻抗谱得出的晶粒电阻率与温度的依赖关系向低温区偏移的结论相符。这种偏移导致晶粒电阻率在应用温域以内没有单调的变化，从而增强了CCTO材料的lnρ-1000/T曲线在高温区的线性度。此外，Fe3+可以通过改变晶界的活化能在很大范围内调节CCTO材料的活化能，从而扩大了CCTO陶瓷材料的应用温区。该研究方法中基于Fe3+掺杂对陶瓷晶粒和晶界的调控机制，为多晶半导体陶瓷材料的研究提供了新的途径。

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