界面耦合控制的电响应与非德拜介电松弛现象在CuAl?O?@ZnO功能氧化物异质结构中的研究

《Surfaces and Interfaces》：Interfacial Coupling-Controlled Electrical Response and Non-Debye Dielectric Relaxation in CuAl?O?@ZnO Functional Oxide Heterostructures

　　1. 请先检查输入的内容，如果内容是分两段的，可能需要删除重复的段落； 2. （由于输入的内容没有HTML标签，以下是按照段落意思划分的中文翻译，并在每个段落末尾添加了换行符） **摘要** 本文采用共沉淀法制备了异质结构的CuAl2O4@ZnO复合材料。X射线衍射（XRD）和Rietveld精修结果证实了立方体CuAl2O4尖晶石与六方ZnO在纤锌矿相中形成了混合结构。场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示两种相高度混合，形成了扩展的异质界面区域。通过复阻抗谱（CIS）研究了该复合材料在333–673 K温度范围和40–4×10^6 Hz频率范围内的电学和介电性能。阻抗图显示出两个半圆弧，分别对应于晶粒内部和晶界的影响，这一结果通过使用简单等效电路（RG||QG+RGB||QGB配置）对阻抗数据进行拟合得到了进一步验证。两种组分的电阻均随温度升高而降低，表明存在热激活的电荷传输过程。电阻的温度依赖性可以很好地用NSPT模型描述，这表明热辅助的局域跃迁机制能够合理解释导电过程。晶界的激活能高于晶粒的激活能，说明ZnO和CuAl2O4的界面调控了整体的电荷传输。通过分析电模量来消除电极的影响并研究材料的松弛过程。介电常数和损耗谱在低频区域的色散较强，这是由于Maxwell-Wagner（MW）极化效应；非Debye（ND）松弛行为则通过Havriliak–Negami模型进行了表征。本研究结果表明，异质界面微观结构对CuAl2O4@ZnO复合材料的电学传输和介电松弛性能具有显著影响，因此该材料可有效应用于介电和传感领域。 **引言** 近年来，人们对功能介电材料和半导体材料的关注日益增加，因为它们的性能不仅受内在晶体化学性质的影响，还受到微观结构、缺陷、界面以及介观异质性的共同调控[[1], [2], [3]]。特别是氧化物异质结构成为调控电荷分离、载流子传输、界面极化和松弛动力学的有效途径，从而提升了材料在催化、光电、能量转换、传感和电子设备中的应用性能[[4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。关于基于金属氧化物的复合体系中的异质结和界面工程的研究表明，相耦合、形貌调控和界面形成能够显著影响电荷传输路径和整体性能[[12], [13], [14]]。在宽禁带钙钛矿[15]、透明电磁屏蔽材料[16]、远紫外微LED[17]、能量收集系统[18,19]、分子筛基功能材料[20]以及先进陶瓷颜料[21]等领域也取得了类似进展，这些研究进一步证明了界面和结构设计在高性能功能材料开发中的核心作用。从电学响应的角度来看，这些异质体系通常表现出与理想Debye松弛不同的传输和极化行为，因为晶粒（Gs）、晶界（GBs）、缺陷以及相界面在不同温度和频率范围内同时发挥作用[[22]]。因此，现代研究越来越多地依赖复杂的阻抗谱分析、等效电路分析、电模量理论、介电损耗分析以及分布松弛函数来区分体相和界面贡献[[23,24]]。在多相和富含界面的氧化物中，MW界面极化常用于解释低频区域的强色散现象；而基于跃迁的模型（如非重叠小极化子隧穿）则适用于描述无序氧化物网络中的热激活导电[[23,24]]。此外，Havriliak–Negami型方法也被广泛用于量化由局部环境和松弛时间分布引起的ND介电松弛。最近在分数阶导数建模方面的进展也反映了人们对使用广义数学公式描述异质体系中复杂非理想松弛和传输过程的兴趣日益增长。 在功能氧化物材料中，ZnO和CuAl2O4金属氧化物半导体因其典型的晶体结构以及可调的光学、介电和电学性质而受到广泛关注[[25,26]]。ZnO是一种n型半导体，带隙约为3.2 eV，因此被广泛用作催化剂、传感器和光电元件[[25]]。然而，ZnO的一个显著缺点是电子和空穴复合速度较快，这降低了载流子的寿命，限制了其在光子学、传感和催化反应中的量子效率[[27,28]]。为了解决这一问题，通常将ZnO与其他有用的功能氧化物进行异质结构化处理以形成复合体系。研究表明，这种改性可以改善复合材料的电荷传输和界面行为，从而提升其功能性能[[29], [30], [31], [32]]。另一方面，CuAl2O4是一种p型半导体，具有正常的尖晶石晶体结构，具有多种有趣的物理化学性质，如高热稳定性[[33]]、较大的比表面积[[26]]、较低的带隙（1.5–3.0 eV[[34]]以及良好的催化和抗菌活性[[35]]。CuAl2O4的面心立方晶格结构使得氧缺陷难以形成，从而易于在表面吸附并促进载流子的迁移。基于这些特性，CuAl2O4在介电和催化应用中具有广泛前景[[36], [37], [38]]。此外，CuAl2O4尖晶石结构的稳定氧化物网络能够限制金属离子的浸出，提高环境稳定性，使其适用于高性能应用[[39]]。CuAl2O4尖晶石可通过多种方法合成，包括共沉淀[40]、溶胶-凝胶[41]和水热[42]法。在这些方法中，前驱体选择、溶液pH值、煅烧温度和时间以及反应动力学等因素对材料的形貌、结晶度和电子结构有显著影响[[35,36,43,44]]。溶胶-凝胶自燃合成是一种简单且低成本的湿化学方法，通过放热氧化还原反应在短时间内自动生成高结晶度、高比表面积的CuAl2O4纳米颗粒[[45,46]]。当p型CuAl2O4与n型ZnO杂化时，两者之间的界面会形成异质结，从而产生...（原文在此处中断）