来自北卡罗来纳州立大学的科学家开发了一种计算模型，帮助用户了解材料纳米结构的变化如何影响其导电性，目的是为各种电子产品的新储能设备开发提供信息。具体地说，研究人员专注于制造电容器的材料，这是一种用于从智能手机到卫星的各种储能设备。研究的通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程副教授道格·欧文说：
你可能会在日常生活中使用成千上万的电容器，不管你知不知道，电容器的材料会影响其性能。因此研究人员着手开发一个模型，以了解材料的结构特征是如何影响材料导电性的。值得一提的是，这个模型同时观察多个空间尺度，捕捉从设备尺度到纳米尺度正在发生的一切。例如，该模型着眼于缺陷和晶界之类的东西，缺陷是材料结构中缺失的原子。
或者是在结构中发现‘错误’原子的地方，其研究成果发表在《应用物理》期刊上。晶界是不同晶体结构相互碰撞的地方，研究模型着眼于缺陷和晶界等东西是如何影响电子在材料中的存在和运动。由于一种材料的不同加工方式，可以控制缺陷和晶界等物质的存在和分布，该模型为我们提供了可用于设计材料以满足特定应用需求的见解。
换言之，该模型可以帮助我们将未来电容器的成本保持在较低水平，同时确保它们能够很好地工作并长期使用。研究发展了一个宏正则多尺度空间电荷模型来研究和预测具有复杂缺陷化学多晶钙钛矿的电学性质。该模型结合了混合交换相关泛函理论计算的精确数据（缺陷形成能、缺陷浓度的宏正则计算和电离态）与电场及其与缺陷再分布和再电离的耦合：在整个晶粒中的有限元模拟。
利用该模型模拟了多晶受主掺杂钛酸锶的氧分压相关电导率随晶粒尺寸的变化规律，并与以往的实验结果进行了比较。研究表明，当晶粒尺寸从微米级减小到纳米级时，实验观察到的n-p交叉点的离子电导率消失和氧分压前移的现象，被该模型成功地再现和解释。从力学上讲，电导率的变化源于电荷从晶界核转移到晶粒内部，在晶界核附近形成一个空间电荷层，扰乱了局域缺陷化学。
研究讨论了晶粒尺寸对电导率的影响以及晶粒间潜在的缺陷化学。除了研究的发现之外，该模型本身还能够探索具有复杂缺陷化学多晶半导体系统的电响应，这对未来电子元件的设计至关重要。
博科园｜研究/来自：北卡罗莱纳州立大学
参考期刊《应用物理》
DOI: 10.1063/5.0008020
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