在氧化物鈣鈦礦中，晶界效應是限制其半導體電子性能的一個致命因素。多晶氧化物鈣鈦礦的電子遷移率往往和單晶氧化物鈣鈦礦相差幾個數量級。來自英國劍橋大學，美國西北大學，和英國曼徹斯特大學的一項最新研究表明，石墨烯能夠消除多晶氧化物鈣鈦礦中的晶界效應，使其具有媲美單晶的電子傳輸行為。相關論文以題為“Graphene/Strontium Titanate: Approaching Single Crystal-Like ChargeTransport in Polycrystalline Oxide Perovskite Nanocomposites through GrainBoundary Engineering” 于2020年2月3日發表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201910079

氧化物鈣鈦礦具有許多卓越的性能：例如高溫超導性，鐵電性，鐵磁性。這些性能使其在熱電，催化，燃料電池和太陽能電池中有著廣闊的應用前景。在上述應用中，高電子遷移率是最重要的指標之一。比起制作過程復雜且價格昂貴的單晶，物美價廉的多晶在現實應用中更具有吸引力，然而低遷移率卻成為了多晶氧化物鈣鈦礦在實際應用中“卡脖子”的關鍵因素之一。

在這項工作中，研究人員展示了石墨烯的加入能夠顯著的提高氧化物鈣鈦礦的導電率。通過一種有效質量模型的分析，研究人員驚奇的發現石墨烯/多晶氧化物鈣鈦礦復合材料具有比擬單晶的電子傳輸行為。

STO及其摻入石墨烯的納米復合材料的結構表征。

有效質量模型降低了分析電子傳輸行為的復雜性，使得研究者能夠定量的比較單晶和復合物的傳輸行為。通過分析發現這種多晶復合材料中單晶電子傳輸行為產生的可能的原因在于石墨烯能夠有效增加多晶晶界中的氧空位，從而消除晶界效應。

有效質量模型揭示結構多晶的石墨烯/氧化物鈣鈦礦復合材料具有單晶才有的電子遷移行為。

在熱電能源材料的應用中，石墨烯已經被證明能有效降低熱電材料的熱導率，這項研究成果顯示在氧化物鈣鈦礦中加入石墨烯可能成為創造“聲子玻璃-電子晶體”的有效手段。同時，石墨烯/氧化物鈣鈦礦的復合策略為發展以燃料電池和太陽能電池為應用目的的高性能氧化物鈣鈦礦提供了一種新的思路和廣闊應用前景。

來源：材料科學與工程公眾號，作者：Alex