來自北卡羅來納州立大學的科學家開發了一種計算模型，幫助用户瞭解材料納米結構的變化如何影響其導電性，目的是為各種電子產品的新儲能設備開發提供信息。具體地説，研究人員專注於製造電容器的材料，這是一種用於從智能手機到衞星的各種儲能設備。研究的通訊作者、北卡羅來納州立大學材料科學與工程副教授道格·歐文説：
你可能會在日常生活中使用成千上萬的電容器，不管你知不知道，電容器的材料會影響其性能。因此研究人員着手開發一個模型，以瞭解材料的結構特徵是如何影響材料導電性的。值得一提的是，這個模型同時觀察多個空間尺度，捕捉從設備尺度到納米尺度正在發生的一切。例如，該模型着眼於缺陷和晶界之類的東西，缺陷是材料結構中缺失的原子。
或者是在結構中發現‘錯誤’原子的地方，其研究成果發表在《應用物理》期刊上。晶界是不同晶體結構相互碰撞的地方，研究模型着眼於缺陷和晶界等東西是如何影響電子在材料中的存在和運動。由於一種材料的不同加工方式，可以控制缺陷和晶界等物質的存在和分佈，該模型為我們提供了可用於設計材料以滿足特定應用需求的見解。
換言之，該模型可以幫助我們將未來電容器的成本保持在較低水平，同時確保它們能夠很好地工作並長期使用。研究發展了一個宏正則多尺度空間電荷模型來研究和預測具有複雜缺陷化學多晶鈣鈦礦的電學性質。該模型結合了混合交換相關泛函理論計算的精確數據（缺陷形成能、缺陷濃度的宏正則計算和電離態）與電場及其與缺陷再分佈和再電離的耦合：在整個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電導率隨晶粒尺寸的變化規律，並與以往的實驗結果進行了比較。研究表明，當晶粒尺寸從微米級減小到納米級時，實驗觀察到的n-p交叉點的離子電導率消失和氧分壓前移的現象，被該模型成功地再現和解釋。從力學上講，電導率的變化源於電荷從晶界核轉移到晶粒內部，在晶界核附近形成一個空間電荷層，擾亂了局域缺陷化學。
研究討論了晶粒尺寸對電導率的影響以及晶粒間潛在的缺陷化學。除了研究的發現之外，該模型本身還能夠探索具有複雜缺陷化學多晶半導體系統的電響應，這對未來電子元件的設計至關重要。
博科園｜研究/來自：北卡羅萊納州立大學
參考期刊《應用物理》
DOI: 10.1063/5.0008020
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