來(lái)自北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算模型，幫助用戶了解材料納米結(jié)構(gòu)的變化如何影響其導(dǎo)電性，目的是為各種電子產(chǎn)品的新儲(chǔ)能設(shè)備開(kāi)發(fā)提供信息。

具體地說(shuō)，研究人員專注于制造電容器的材料，這是一種用于從智能手機(jī)到衛(wèi)星的各種儲(chǔ)能設(shè)備。研究的通訊作者、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授道格·歐文說(shuō)：

你可能會(huì)在日常生活中使用成千上萬(wàn)的電容器，不管你知不知道，電容器的材料會(huì)影響其性能。因此研究人員著手開(kāi)發(fā)一個(gè)模型，以了解材料的結(jié)構(gòu)特征是如何影響材料導(dǎo)電性的。值得一提的是，這個(gè)模型同時(shí)觀察多個(gè)空間尺度，捕捉從設(shè)備尺度到納米尺度正在發(fā)生的一切。例如，該模型著眼于缺陷和晶界之類的東西，缺陷是材料結(jié)構(gòu)中缺失的原子。

或者是在結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)‘錯(cuò)誤’原子的地方，其研究成果發(fā)表在《應(yīng)用物理》期刊上。晶界是不同晶體結(jié)構(gòu)相互碰撞的地方，研究模型著眼于缺陷和晶界等東西是如何影響電子在材料中的存在和運(yùn)動(dòng)。由于一種材料的不同加工方式，可以控制缺陷和晶界等物質(zhì)的存在和分布，該模型為我們提供了可用于設(shè)計(jì)材料以滿足特定應(yīng)用需求的見(jiàn)解。

換言之，該模型可以幫助我們將未來(lái)電容器的成本保持在較低水平，同時(shí)確保它們能夠很好地工作并長(zhǎng)期使用。研究發(fā)展了一個(gè)宏正則多尺度空間電荷模型來(lái)研究和預(yù)測(cè)具有復(fù)雜缺陷化學(xué)多晶鈣鈦礦的電學(xué)性質(zhì)。該模型結(jié)合了混合交換相關(guān)泛函理論計(jì)算的精確數(shù)據(jù)（缺陷形成能、缺陷濃度的宏正則計(jì)算和電離態(tài)）與電場(chǎng)及其與缺陷再分布和再電離的耦合：在整個(gè)晶粒中的有限元模擬。

利用該模型模擬了多晶受主摻雜鈦酸鍶的氧分壓相關(guān)電導(dǎo)率隨晶粒尺寸的變化規(guī)律，并與以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。研究表明，當(dāng)晶粒尺寸從微米級(jí)減小到納米級(jí)時(shí)，實(shí)驗(yàn)觀察到的n-p交叉點(diǎn)的離子電導(dǎo)率消失和氧分壓前移的現(xiàn)象，被該模型成功地再現(xiàn)和解釋。從力學(xué)上講，電導(dǎo)率的變化源于電荷從晶界核轉(zhuǎn)移到晶粒內(nèi)部，在晶界核附近形成一個(gè)空間電荷層，擾亂了局域缺陷化學(xué)。

研究討論了晶粒尺寸對(duì)電導(dǎo)率的影響以及晶粒間潛在的缺陷化學(xué)。除了研究的發(fā)現(xiàn)之外，該模型本身還能夠探索具有復(fù)雜缺陷化學(xué)多晶半導(dǎo)體系統(tǒng)的電響應(yīng)，這對(duì)未來(lái)電子元件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

博科園｜研究/來(lái)自：北卡羅萊納州立大學(xué)

參考期刊《應(yīng)用物理》

DOI: 10.1063/5.0008020

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