Physical Review?B：局域化極化子和電導荷電載流子對巨介電陶瓷介電響應的貢獻機制

【前言】

巨介電材料在電容器、存儲器、電池方面具有很好的應用。近些年對巨介電材料的開發和物理機制的探索一直沒有停止過。當前巨介電材料主要集中在鐵電材料和一些晶界層電容器材料，前者主要與鐵電極化相關，后者主要與電學非均勻結構有關。其中電學非均勻結構的物理機制一直沒有得到深入的研究。

【成果簡介】

近日，桂林理工大學和西安交通大學研究團隊對電學非均勻結構引起的巨介電行為進行了深入的研究，揭示了巨介電常數產生的本征機制。研究成果發表在權威期刊《物理學評論B》（Physical Review B）上，論文題目為Localized polarons and conductive charge carriers: Understanding CaCu₃Ti₄O₁₂?over a broad temperature range/局域化極化子和電導荷電載流子：對CaCu₃Ti₄O₁₂寬溫區介電響應的理解，桂林理工大學為第一作者單位，西安交通大學為通訊作者單位。

鈣鈦礦陶瓷CaCu₃Ti₄O₁₂（CCTO）在室溫附近顯示一個非常寬的介電常數平臺，普遍認為這個介電平臺主要與晶粒/晶界的Maxwell-Wagner效應有關，但是為何在特定溫度出現Maxwell-Wagner效應以及巨介電常數的來源途徑仍然不清晰。桂林理工大學劉來君和西安交通大學王大威等用他們提出的統計模型對介電譜進行了分析，給出了局部電荷載流子（極化子）和導電荷電載流子的組合效應，以此明確了在寬溫度范圍內不同頻率下介電常數的貢獻機制。研究發現在低溫度下，低介電常數與凍結極化子有關；在較高溫度下，介電常數的增加與極化子的熱激發有關，晶粒的電導增加而晶界的電導維持不變，從而引起Maxwell-Wagner效應；在高溫度下，介電常數的快速增長歸因于熱激活荷電載流子的導電性。該結果能夠有效分離出局域極化子和導電荷電載流子對介電響應的貢獻，并量化它們的活化能，對較小的低溫介電常數、介電常數的聚集增加以及室溫附近的介電常數平臺作出了很好的解釋。另外，通過對模型參數的分析發現，CCTO低的介電損耗和高的介電溫度穩定性與激活的極化子的數目與其極化率之間的微妙平衡有關。

該工作得到了國家973計劃、國家自然科學基金、廣西自然科學基金、國家留學基金委、美國海軍研究局、加拿大自然科學和工程研究委員會等的共同資助。加拿大Simon Fraser University葉作光教授、A.A.Bokov教授、廣西大學彭彪林教授、西安交通大學張潔副教授等在結果分析方面提供了有益討論。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.094110

本文由桂林理工大學團隊供稿。

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