【国内论文】Ceram Int丨中国科学院新疆物理化学技术研究所、中国科学院大学、昌吉学院：通过氧空位工程调控 (1-x)Ga₂O₃-xSiC 的电学性能

        宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）具有 4.9 eV 超宽带隙、高击穿场强和优异热稳定性，在高温负温度系数（NTC）热敏电阻领域极具潜力，可满足高温工况下小型化、长寿命、快速响应的测温需求。但纯 Ga₂O₃载流子迁移率低、电阻率过高，限制其实际应用。碳化硅（SiC）掺杂被认为可调控 Ga₂O₃ 电学特性，氧空位（O_v）是决定 Ga₂O₃ 基材料导电行为的关键本征缺陷，其浓度直接影响激活能与载流子输运。现有研究多集中在薄膜异质结，对块体复合陶瓷中 SiC 掺杂与氧空位协同调控机制尚不清晰。本研究采用常规烧结制备 (1-x) Ga₂O₃-xSiC 复合陶瓷，系统探究 SiC 掺杂对氧空位含量、微观结构及高温电学性能的调控规律，为高性能高温 NTC 热敏电阻材料开发提供新思路。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为宽禁带半导体，可应用于光学和电子器件。本研究采用常规烧结工艺制备了完全致密的 (1-x) Ga₂O₃-xSiC（x=0%、3%、5%、7%、10%）复合陶瓷。在 573K 至 1273K 范围内，x=7% 陶瓷的电阻率自然对数（lnρ）与绝对温度倒数（1000/T）之间存在线性关系（R²=0.9979）。阿伦尼乌斯拟合结果和 X 射线光电子能谱（XPS）分析表明，陶瓷中的氧空位（O_v）含量可能起着至关重要的作用。电子顺磁共振（EPR）结果显示，氧空位含量与 XPS 结果一致，并与激活能呈反比关系。x=7% 陶瓷具有最高氧空位含量、最低激活能和更宽的线性温度范围。这些结果表明，低浓度 SiC 掺杂有助于改善电子性能，(1-x) Ga₂O₃-xSiC 复合陶瓷在负温度系数（NTC）热敏电阻中具有潜在应用价值。

        •  采用常规烧结成功制备 (1-x) Ga₂O₃-xSiC 复合陶瓷，明确 SiC 掺杂对氧空位浓度的可控调控规律。

        •  发现 x=7% 组分具有最高氧空位、最低激活能及最宽线性温区（573–1273K，R²=0.9979），高温 NTC 特性最优。

        •  揭示 SiC 高温氧化诱导晶界 SiO₂ 相形成、调控氧空位并改变载流子输运的微观机制。

        •  证实复合陶瓷在高温 NTC 热敏电阻领域具有良好应用前景。

        综上，该团队通过常规烧结法制备了 (1 x) Ga₂O₃ xSiC（x=0%、3%、5%、7%、10%）复合陶瓷，x=7% 陶瓷在 573–1273K 范围内表现出最高线性度（R²=0.9979）。EDS 和 TEM 结果表明，Si 元素在陶瓷表面和体相晶界处发生偏聚。复合陶瓷中的氧空位含量先增后减，x=7% 陶瓷氧空位含量最高（27.63%），与 EPR 结果一致。激活能先减后增，与氧空位呈反比关系。氧空位的变化可能归因于 SiC 的氧化。本研究表明，复合陶瓷在负温度系数（NTC）热敏电阻中具有潜在应用价值，SiC 有望通过调控氧空位含量和结晶度，进而影响电学性能。

        本研究得到中国科学院青年创新促进会、新疆天山人才计划（Grant No. 2023TSYCCX0092）的资助。

图 1. 物相结构与里特沃尔德精修结果。a，随 SiC 含量增加无相变过程；b，XRD 与 TEM 均观测到 (-201) 晶面；c，Ga₂O₃单斜结构；d，拉曼结果表明复合陶瓷低应变、高结晶质量；e-g，里特沃尔德精修结果显示晶格参数无明显变化。

图 2. 微观结构与元素分布。a-d，Si 在晶界偏聚，且随 SiC 含量增加而加剧。

图 3. 晶粒内元素分布。a-b，晶粒间微观结构；c-f，线扫描表明晶粒主成分为 Ga、O，对应 Ga₂O₃相；g-k，原子排列与选区电子衍射，观测到 (-201) 晶面。

图 4. 晶界元素分布。a-c，晶界存在非晶相；d-e，线扫描显示晶粒为 Ga₂O₃、晶界为 SiO₂，源于 SiC 氧化；f-i，选区电子衍射结果；j-m，EDS 显示 Si 在晶界偏聚。

图 5. (1‑x) Ga₂O₃‑xSiC 复合陶瓷氧空位含量。a-e，O 1s 的 XPS 拟合结果；f，氧空位含量变化趋势。

图 6. 复合陶瓷主缺陷与电阻率变化。a，EPR 表明样品主缺陷为氧空位；b，673K 下 x=5%、7% 陶瓷奈奎斯特图，x=7% 晶界与晶粒电阻更高。

图 7. 电学性能与激活能变化。a-e，(1‑x) Ga₂O₃‑xSiC 陶瓷 lnρ 与 1000/T 关系；f，激活能变化趋势，与氧空位呈反比。

DOI : 

doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.05.093