刘奇航及其合作者通过密度泛函理论计算,为这一类反掺杂行为提出了一种称为“极化子湮灭”的微观机制。以电子掺杂某些氧化物为例,研究发现,具有反掺杂效应的材料在不考虑杂化效应的高对称结构下具有半填充能带,应为金属。晶格畸变此时会打开带隙,此时的低能激发发生在体系的配位阴离子之间。因此,这类材料的导带底在掺杂之前有被认为从价带分离出去的“空穴极化子”态,而电子引入后会复合这些空穴极化子回到价带,而并不形成带隙间的缺陷能级(如图二所示)。这种反掺杂现象原则上和体系的电子关联效应无关,例如在含有镁空位的氧化镁中也可以存在。另外,在锂电池阳极材料LiFeSiO4、LiIrO3以及过渡金属氧化物SmNiO3、SrCoO2.5等材料中存在掺杂范围广、带隙变化大的反掺杂效应。
值得一提的是,反掺杂效应可以通过不同掺杂手段可逆地调节体系的带隙以及导电性,具有非常广泛的应用前景,如燃料电池、光电器件、全固态离子导体,甚至人工智能等。该研究圆满地解释了导电性随掺杂浓度增加而减弱的反掺杂效应的微观机理,并且给出了具有这种性质的材料一般满足的条件
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