2019 年度拟提名陕西省自然科学奖项目公示内容

2019年度拟提名陕西省自然科学奖项目公示内容一、项目名称中文名称：电压敏陶瓷晶界Schottky势垒区电子结构与击穿特性的研究英文名称：ElectronicstructureandelectricbreakdowncharacteristicsofSchottkybarrieratthegrainboundaryofvaristorceramics二、 提名者及提名意见提名者：陕西省教育厅提名意见：项目从晶体结构、能带结构、点缺陷结构出发，抓住电压敏陶瓷非均匀显微结构这一主要特征，以介电谱为基本研究工具，建立了点缺陷、晶界电子结构、精细介电谱表征技术三位一体的理论体系，获得一系列原创性成果，包括：提出了直流电导的赝极化概念，建立了电压敏陶瓷的赝极化理论，发现了本征极化与赝极化、晶粒与晶界的鉴别方法，指出了电压敏陶瓷中Maxwell-Wagner极化的物理本质；获得了ZnO和CaCu3Ti4O12两种电压敏陶瓷的点缺陷结构，在点缺陷基础上实现了电导机制和介电弛豫机制的统一；建立了晶界Schottky势垒区电子结构的点缺陷模型，实现了点缺陷浓度、晶界态密度、势垒宽度及单晶界击穿电压等晶界微观、宏观物理参数的理论计算，给出了残压比的理论下限，揭示了晶界Schottky势垒形成及电击穿的物理机制；提出了精细介电谱的理论框架，将介电谱发展成为分析点缺陷结构、电子陶瓷显微结构、交直流特性和介电弛豫机理的普适性工具。项目的研究思路新颖独特，建立的理论体系完整且富有创新性，具有很好的科学价值，必将促进电压敏陶瓷的研究。项目提出的理论模型和获得的实验结果被国际著名专家R.Ahmed教授在国际一流期刊JournalofMaterialsScience-MaterialsinElectronics(IF：2.324)上作为标准模型和关键数据加以多次引用，被CeramicsInternational(IF:3.057)上发表的论文评价为“开辟了电压敏陶瓷研究的新方向”，被MaterialsandDesign(IF：4.525)、ChemSusChem(IF：7.411)上发表的论文直接应用于热电材料、有机半导体等崭新的研究领域。对照陕西省自然科学奖授奖条件，提名该项目获奖级别为二等奖及以上。三、 项目简介本项目为应用基础研究类项目，属电气工程高电压绝缘技术领域的电压敏陶瓷方向。晶界Schottky势垒的电子结构、电子输运过程、电击穿特性决定了电压敏陶瓷长期服役老化性能和过电压瞬态保护性能，是电压敏陶瓷领域研究的核心和重点。本项目主要研究内容：采用电荷输运模型，将直流电导的介电响应与介电弛豫过程相统一，研究了自由载流子的介电弛豫效应；基于晶粒、晶界在几何尺寸和电导率上的巨大差异，提取了电压敏陶瓷本征极化和晶粒、晶界直流电导在模量谱上的频率和幅值方面的特征参数，分析了电压敏陶瓷中Maxwell-Wagner极化的物理本质。采用电子陷阱弛豫理论，通过介电温谱，研究电压敏陶瓷点缺陷结构的表征，分析了ZnO、CaCu3TLOi2两种电压敏陶瓷的点缺陷结构，讨论了点缺陷与电导机制、极化机制的本质联系。根据点缺陷能级建立晶界Schottky势垒的能带模型，通过求解possion方程研究点缺陷浓度、晶界态密度与势垒高度、宽度及单晶界击穿电压的本质联系，进一步通过平带理论计算了晶界电击穿后残压比的理论下限，讨论了残压比难以下降的物理机制。结合介电谱、模量谱、阻抗谱等多种表征方式，构建电压敏陶瓷点缺陷结构、晶界电子结构、显微结构的一体化、精细化表征技术。（2）本项目主要科学发现点：发现了直流电导所引起的赝极化的现象，建立了电压敏陶瓷的赝极化理论，提出了本征极化与赝极化的鉴别方法，指出电压敏陶瓷中Maxwell-Wagner极化的物理本质在于晶粒电导赝极化，实现了电压敏陶瓷显微结构的介电谱表征。发展了电子陷阱弛豫理论，发现了电子陷阱弛豫与经典Debye弛豫等价性，提出了ZnO和CaCu3TLOi2的本征点缺陷结构，指出两种电压敏陶瓷的介电弛豫分别起源于晶界Schottky势垒区的电子陷阱弛豫和晶粒电导赝极化，实现了介电弛豫机构与弛豫机理的判别，在点缺陷结构的基础上将电导机制和极化机制统一起来。建立了晶界电子结构的点缺陷模型，实现了晶界Schottky势垒区小电流特性和大电流击穿特性的理论计算，获得了单晶界击穿电压的理论值和残压比的理论下限，为通过点缺陷调控实现电压敏陶瓷电气性能的优化奠定了理论基础。发展了介电谱理论，使介电谱成为表征电压敏陶瓷交直流电导机制、介电弛豫机理、点缺陷结构的普适方法。（3）本项目主要科学价值：获得了ZnO和CaCu3TLOi2的本征点缺陷结构，提出ZnO中同时包含锌填隙和氧空位两种本征点缺陷的论断，结束了ZnO的本征点缺陷到底是锌填隙还是氧空位的长期争论；指出CaCu3Ti4O12中巨介电常数和高介电损耗都起源于本征点缺陷氧空位，揭示了介电损耗居高不下的原因。建立了晶界Schottky势垒区电子结构的点缺陷模型，实现了点缺陷浓度、晶界态密度、单晶界击穿电压和残压比等微观、宏观物理参数的理论计算，从能带角度解释了ZnO压敏陶瓷残压比难以下降的物理本质，给出了残压比的理论下限，揭示了晶界Schottky势垒形成及电击穿的物理机制，为基于点缺陷调控实现电压敏陶瓷电气性能的优化奠定了基础。发展了介电谱技术，使介电谱成为电压敏陶瓷点缺陷结构、显微结构、交直流特性和介电弛豫机理分析的普适性工具。本项目被同行引用与评价情况：研究成果在国内外著名期刊发表论文20余篇，其中SCI检索论文9篇，单篇他引超10次的论文有两篇。研究工作得到了国内外学者的高度评价，发表的论文被国际一流期刊所引用，引用范围扩展至崭新的研究领域，产生了广泛的影响。国际著名固体物理专家R.Ahmed教授在JournalofMaterialsScience-MaterialsinElectronics(IF：2.324)中的论文，将本项目关于晶界Schottky势垒区电子结构的理论模型作为自己研究的基础，并将本项目关于ZnO单晶的实验结果作为标准对自己的实验数据进行对比分析。臧国忠教授在CeramicsInternational(IF：3.057)等多个期刊中评价认为“本项目提出的电子陷阱弛豫理论建立了本征点缺陷与电导、介电常数之间的内在联系，开辟了电压敏陶瓷研究的新方向”。“楚天学者计划”特聘教授杨昌平在JournalofAlloysandCompounds(IF：3.779)中的论文评价认为本项目提出的“势垒边界本征点缺陷电子陷阱弛豫机制正确反映了本征点缺陷、电导机制和介电弛豫机制的内在关系”。中国科学院上海硅酸盐研究所著名学者李国荣研究员、中科院百人计划优先支持专家张坚教授分别在MaterialsandDesign(IF：4.525)、ChemSusChem(IF：7.411)中的论文，基于本项目的研究结果，将ZnO陶瓷应用于热电材料、有机半导体材料与器件等崭新的研究领域。四、客观评价中科院百人计划优先支持专家张坚教授在国际一流期刊ChemSusChem(IF：7.411)上发表的论文“Lithium-ionConjugatedPolyelectrolyteasanInterfaceMaterialforEfficientandStableNon-fhllereneOrganicSolarCells”中引用本项目关于ZnO本征点缺陷结构、Li掺杂对ZnO本征点缺陷的抑制等的相关研究成果，用于制备锂离子电池中ITO/ZnO阴极材料上的功能性双层薄膜，使ITO/ZnO阴极材料的效率和弯曲度大幅提高。中国科学院上海硅酸盐研究所著名学者李国荣研究员在国际一流期刊MaterialsandDesign(IF：4.525)上发表论的论文“EffectsofsinteringonthemicrostructureandelectricalpropertiesofZnO-basedthermoelectricmaterials"中整体性引用本项目关于ZnO的研究成果，并将ZnO应用于电热材料领域。“楚天学者计划"特聘教授杨昌平在国际一流期刊JournalofAlloysandCompounds(IF：3.779)上发表论文“PreferentialorientationandrelaxationbehaviorsofCaCu3Ti4O12thinfilmsinalowfrequencyrange"，引用本项目关于CaCgTLOlz电压敏陶瓷巨介电常数起源的研究成果，评价认为本项目提出的“势垒边界本征点缺陷电子陷阱弛豫机制正确反映了本征点缺陷、电导机制和介电弛豫机制的内在关系"。臧国忠教授在国际一流期刊CeramicsInternational(IF：3.057)上发表的论文“TheeffectofSm2O3onthemicrostructureandelectricalpropertiesofSiO2-dopedSnO2-Zn2SnO4ceramicvaristors"等，引用本项目关于CaCgTLOa电压敏陶瓷本征点缺陷结构、巨介电响应的起源及低频晶界直流电导赝极化的研究成果，评价认为“本项目提出的电子陷阱弛豫理论建立了本征点缺陷与电导、介电常数之间的内在联系，开辟了电压敏陶瓷研究的新方向”。国际著名固体物理专家R.Ahmed教授在国际主流期刊JournalofMaterialsScience-MaterialsinElectronics（IF：2.324）上发表的论文“LowtemperatureferromagneticbehaviorandtemperaturedependentanomalousdielectricrelaxationofZn0.90Ni0.05Mn0.05Odilutedmagneticsemiconductor”中，将本项目关于晶界Schottky势垒区电子结构的理论模型作为自己研究的基础，并将本项目关于ZnO单晶的实验结果作为标准对自己的实验数据进行对比分析。国际著名专家Shah在国际主流期刊MaterialsScienceinSemiconductorProcessing（IF：2.593）上发表的论文“Conductionmechanismsinlanthanummanganitenanofibers"中引用本项目关于本征点缺陷电子陷阱弛豫和晶界电子结构的研究成果，用于研究纳米纤维的导电机理。国际著名专家Despotuli在国际主流期刊Ionics（IF：2.119）上发表的论文“MaxwelldisplacementcurrentandnatureofJonsher'suniverisaldynamicresponseinnanoionics"中引用本项目关于普适弛豫定律幕指数物理意义的解释，并评价为是材料科学和固体离子学中直流电导的极化效应的标准解释。五、代表性论文专著目录（不超过8篇）（按照表格所示栏目填写支撑本项目重要科学发现的代表性论文专著详细情况，不超过8篇，按重要程度排序。所列论文专著应公开发表2年以上即2017年4月30日以前公开发表，其他要求参见《提名工作手册》相应内容。）序号论文专著名称刊名作者年卷页码（XX年xx卷xx页）发表时间通讯作者第一作者国内作者SCI他引次数他引总次数知识产权是否归国内所有1ZnO压敏陶瓷介电损耗的温度谱研究物理学报成鹏飞，李盛涛，李建英2009,58(8),5721-57252009.08成鹏飞成鹏飞成鹏飞，李盛涛，李建英311是2CaCgTLOu陶瓷的介电特性与弛豫机理物理学报成鹏飞，王辉，李盛涛2013,62(5),0577012013.03成鹏飞成鹏飞成鹏飞，王辉，李盛涛310是3DielectricspectroscopystudiesofZnOsinglecrystalChinesePhysicsBChengPeng-Fei;LiSheng-Tao;WangHui2013,22(10),1077012013.10ChengPeng-FeiChengPeng-Fei成鹏飞，李盛涛，王辉57是

4ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷的晶界电子结构物理学报成鹏飞，李盛涛，李建英2010,59(1),560-5652010.01成鹏飞成鹏飞成鹏飞，李盛涛，李建英24是5PhysicalmeaningofconductivityspectraforZnOceramicsChinesePhysicsBChengPeng-Fei,LiSheng-Tao,LiJian-Ying,DingCan,Yang2012,21(9),0972012012.09ChengPeng-FeiChengPengfei成鹏飞，李盛涛，李建英，丁璨，杨雁56是6Modulusspectroscopyofgrain-grain boundarybinarysystemPhysicaB-CondensedMatterPenYga-nFeiCheng,JiangSong,Sheng-TaoLi,2015,459,105-1092015.02.15Peng-FeiCheng,ChengPengfei成鹏飞，宋江，李盛涛，王辉13是7Dielectricpropertiesofgrain-grainboundarybinarysystemPhysicaB-CondensedMatterHPueinWg-aFnegiCheng,Sheng-TaoLi,HuiWang2014,449,160-1632014.09.15Peng-FeiChengChengPengfei成鹏飞，李盛涛，王辉00是8ZnO压敏陶瓷的介电谱物理学报成鹏飞，李盛涛，李建英2012,61(18),1873022012.07.31成鹏飞成鹏飞成鹏飞，李盛涛，李建英14是合计20458

六、主要完成人情况（不超过6人）姓名排名行政职务技术职称工作单位完成单位对本项目贡献成鹏飞1副院长教授西安工程大学西安工程大学发展了电子陷阱介电弛豫理论，提出可以通过介电温谱实现晶界Schottky势垒区本征点缺陷结构的表征；提出根据晶界Schottky势垒区电荷分布与电势分布的Poisson方程理论计算晶界电子结构的思想，构建了晶界电子结构的点缺陷模型；提出了直流电导赝极化的理论模型，分析了晶粒、晶界直流电导赝极化沿频率轴的分布情况，研究了本征介电弛豫与直流电导赝极化在介电谱中的不同表现，发现了晶粒、晶界介电弛豫的鉴别方法；建立了晶界Schottky势垒区小电流特性和大电流特性分析的理论模型，获得了单晶界击穿电压与大电流残压比的理论值；提出精细介电谱概念，发展了介电谱技术，使介电谱成为分析电子陶瓷点缺陷结构、晶界电子结构、宏观电气性能的普适性工具。见代表性论文1-8。李盛涛2常务副院长教授西安交通大学西安交通大学基于变温介电谱，分析了ZnO压敏陶瓷的介电响应，发现了低温下特征介电弛豫峰的分裂，提出ZnO本征点缺陷包括锌填隙和氧空位的论断；提出了点缺陷结构的介电谱表征方法，并将该方法推广到CaCgTLOu中，分析了CaCgTLOu陶瓷巨介电常数的起源，提出巨介电常数与本征点缺陷氧空位有关；测试了大电流残压比的起源，验证了晶界Schottky势垒区电子结构理论的正确性。见代表性论文1-8李建英3教授西安交通大学西安交通大学研究了本征点缺陷对ZnO和CaCgTLOu电压敏陶瓷宏观电气性能的影响规律，发现长时间老化后，Schottky区本征点缺陷结构发生了明显的变化，从而证明了本征点缺陷对电压敏陶瓷宏观电气性能的决定性作用，得到了老化时间与本征点缺陷浓度之间的内在关系，验证了晶界Schottky势垒区电子结构的点缺陷模型的正确性。见代表性论文1、4、5、8。七、主要完成单位情况（不超过3个）完成单位排名对本项目主要贡献（限600字）西安工程大学1第一完成单位必须为在陕的组织西安交通大学23八、完成人合作关系说明西安工程大学成鹏飞与西安交通大学李盛涛、李建英长期进行电压敏陶瓷本征点缺陷结构表征、点缺陷电子陷阱弛豫机理、晶界电子结构、Schottky势垒形成机制、晶界电击穿特性、残压的物理机制、ZnO压敏陶瓷老化与本征点缺陷结构的关系、CaCu3TUOi2巨介电常数陶