圖1 氧化鋅避雷器 近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所李國榮科研團隊在ZnO導電陶瓷研究中取得重要進展。該團隊通過晶粒及晶界缺陷設計的方法，成功消除了ZnO晶界處的肖特基勢壘，制備出高導電的ZnO陶瓷，其室溫下的電導率高達1.9×105 Sm-1；同時缺陷設計也降低了材料的晶格熱導率，使該陶瓷呈現良好的高溫熱電性能，其在980K的功率因子達到了8.2×10-4 W m-1 K-2，較無缺陷設計的ZnO陶瓷提高了55倍，該成果對ZnO晶界勢壘以及電導的調控具有重要的借鑒意義。
ZnO具有來源豐富、價格低廉、無污染及化學穩定性好等優點，在光電、壓電、壓敏及熱電等領域有著廣泛的應用前景。三價施主摻雜常常被用來提高ZnO材料的導電性，但是由于三價元素如Al3+在ZnO中的固溶度有限，導致電導率無法大幅提高；同時ZnO陶瓷中由于其本征缺陷而導致的晶界肖特基勢壘也進一步降低了其電導率。因此，提高晶粒電阻，同時消除晶界肖特基勢壘是ZnO導電及熱電材料研究領域的難點問題。
該研究團隊在高電導的ZnO陶瓷的制備以及晶界勢壘的調控方面進行了創新性地探索：通過還原性氣氛燒結，成功消除了ZnO晶界處的受主缺陷，使其晶界處的肖特基勢壘消失；與此同時，還原性氣氛燒結也提高了三價施主摻雜元素在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)、陰極發光(CL)發射譜及電子背散射衍射(EBSD)等多種表征手段進一步證實了受主摻雜后晶粒晶界缺陷分布情況，發現摻雜在ZnO陶瓷晶粒中引入大量缺陷，可同時降低ZnO的晶格熱導，成功的實現了其電學性能和熱學性能的單獨調控，在導電及熱電陶瓷中有較好的應用前景。
目前，高電導ZnO陶瓷的相關研究工作已申請兩項國家發明專利。另外，該團隊還建立了結構-性能模型，為ZnO陶瓷的晶界勢壘以及電學性能的研究工作提供了良好的研究基礎。
圖２ 空氣及還原性氣氛中燒結的ZnO導電陶瓷的電導率(左)與I-V曲線（右）
圖3 空氣及還原性氣氛中燒結的ZnO導電陶瓷的CL譜（左圖）
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