多層陶瓷電容器（MLCC）核心原料采用的主要是鈦酸鋇基鐵電體，由于存在靠近室溫的鐵電相變，使其介電常數溫度穩定性比較差。因此，尋找溫度和頻率穩定性優異的新型巨介電材料成為近年來的熱點，也成為我國攻克MLCC電子元器件卡脖子技術的一個突破口。在簡單金屬氧化物中進行給體受體摻雜，能夠形成電子釘扎缺陷偶極效應，有望獲得溫度和頻率穩定性優異的巨介電行為。這類極具發展潛力的新型巨介電材料得到了國內外學者的普遍關注。 近日，應用材料類top期刊《Acta Materialia》在線發表了華中科技大學傅邱云教授、董文副研究員團隊的題為“High-performance colossal permittivity behaviour persists to ultralow temperature in Co+Ta co-doped SnO2: A spin-defect mediated superstable large electronic moment of defect-dipole“的研究成果，首次報道了低于2K以下的非常規巨介電弛豫行為。董文副研究員為論文的第一作者，傅邱云教授為通訊作者。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421003451

圖1金屬氧化物巨介電材料體系在缺陷偶極冷凍溫度Tf通常伴隨著熱激發弛豫行為（TADR），本文報道了低于2K的缺陷偶極冷凍溫度Tf以及非常規TADR行為。

不同的摻雜體系表現出不同的巨介電弛豫行為和缺陷偶極冷凍溫度Tf（如圖1所示），對應于不同的電子釘扎狀態。缺陷誘導新型巨介電材料的研發，需要更加深入地挖掘電子釘扎效應機制和調控方法。目前大部分研究體系都是利用主族元素對簡單金屬氧化物進行給體受體共摻雜。電子釘扎效應表現為缺陷能阱對電子的束縛，主要歸功于庫倫作用。基于這一點，研究團隊額外引入電子自旋耦合形成復合作用，即通過磁性受體提供的局域電子自旋和給體提供的電荷自旋進行耦合。

圖2 Co單摻雜、Co+Nb共摻、Co+Ta共摻SnO2（CSO，CNSO，CTSO）的巨介電行為

圖3 磁性行為，AFM:反鐵磁，PM：順磁

SnO2摻雜體系的巨介電轉變溫度普遍在100K以上，為研究電子釘扎效應提供了很大的溫度寬度窗口。因此研究團隊選用SnO2為母體，同時以Co2+為磁性受體，分別以Nb5+和Ta5+為給體。如圖2所示，Co單摻雜和Co+Nb、Co+Ta共摻SnO2都表現出了巨介電行為。其中前兩者的Tf分別在25K和70K，而Co+Ta共摻體系在2K以上都保持溫度和頻率高穩定性的巨介電行為，并沒有表現出巨介電轉變行為，說明其巨介電轉變溫度在2K以下。這也是巨介電材料中首次觀察到這種臨界電子釘扎現象。如圖3所示，Co單摻SnO2為反鐵磁性，Co+Nb共摻SnO2變為順磁性，而Co+Ta共摻SnO2處于反鐵磁和順磁共有的臨界磁性狀態，這個說明Co+Nb和Co+Ta提供的不同磁作用對體系的電子釘扎行為產生了顯著的不同影響。

圖4 缺陷偶極構型和磁性能計算結果及性能比較結果

如圖4所示，理論計算表明Co單摻雜和Co+Nb、Co+Ta共摻SnO2的缺陷偶極狀態都不一樣。這和磁性能表征結果是一致的，同時也與臨界電子釘扎效應正好對應。Co+Ta共摻SnO2的電子臨界磁性狀態形成了特殊的電子自旋耦合，使得電子從冷凍到熱激發的能壘變得非常低，形成了平坦化的自由能能阱。這正是該體系表現出低于2K以下的非常規巨介電弛豫行為的原因。 該研究成果為進一步開發缺陷誘導巨介電電容材料和新型MLCC器件提供了重要的指導意義，Co+Ta共摻SnO2中表現出的優異巨介電行為有望應用于超低溫電子電容元器件領域。華中科技大學和英國華威大學合作完成該成果并獲得了國家重點研發計劃（2017YFB0406301）和湖北省創新群體項目（2019CFA004）的資助。

審核編輯 ：李倩