铝掺杂调控LaNiO3 磁电性能的机制研究与半导体化转变

本研究针对LaNiO3 材料性能调控难题，通过Al3+ 掺杂系统研究了LaNi1-x Alx O3 的磁电特性演变规律。研究人员采用水热-煅烧法制备系列样品，发现Al掺杂诱导材料从Pauli顺磁性转变为Curie顺磁性，并在x≥0.2时实现金属-半导体转变。XPS分析揭示性能变化主要源于结构无序而非氧空位浓度，为功能性氧化物材料设计提供了新思路。

　　

在功能材料领域，钙钛矿型氧化物LaNiO₃
因其独特的Pauli顺金属特性备受关注。这种材料在低温下展现金属性电阻，与其他稀土镍酸盐的绝缘体特性形成鲜明对比。然而，其性能调控机制尚不明确，特别是通过元素掺杂实现磁电性能协同调控的路径亟待探索。铝元素与镍具有相似离子价态但不同电子构型，为研究电子结构-性能关联提供了理想模型。

中国的研究团队通过精确控制Al³⁺
掺杂浓度（x=0-0.3），采用水热合成结合热煅烧法制备LaNi_1-x
Al_x
O₃
系列样品。利用XRD确认固溶体形成，SEM/EDS验证元素均匀分布，PPMS系统测量磁电性能，XPS分析化学态演变。

3.1 结构表征
XRD显示所有样品保持R-3c空间群结构，主衍射峰随Al含量增加向高角度偏移（图1），证实Al³⁺
（0.0535nm）成功取代Ni³⁺
（0.0560nm）引起晶格收缩。晶胞体积与掺杂浓度呈线性关系（图2），符合Vegard定律。SEM显示掺杂未改变材料形貌，EDS证实Al均匀分布（图3）。

3.2 磁学性能
未掺杂样品符合Pauli顺磁性特征χ=χ₀
(1-aT²
)。Al掺杂后磁化率曲线需用修正Curie-Weiss定律χ=χ₀
+C/(T-θ)拟合（图4），θ为负值暗示弱反铁磁相互作用。这种相互作用源于Al掺杂导致的NiO₆
八面体压缩，而非氧空位（表2）。MH曲线零矫顽力排除了铁磁杂质影响。

3.3 电阻率测试
低掺杂样品（x≤0.15）保持金属特性，电阻率符合ρ₀
+aT²
（图5a）。x=0.2时出现金属-半导体转变，低温电阻极小值源于电子-电子相互作用而非Kondo效应。XPS分析显示O1s结合能随掺杂正移（图6d），表明Ni³⁺
含量增加，证实性能变化主要来自结构无序而非氧空位浓度变化。

该研究首次阐明了Al掺杂诱导LaNiO₃
磁电性能协同调控的微观机制：通过引入结构无序和电子局域化，实现从Pauli顺金属到Curie顺磁体的转变，并在临界浓度（x=0.2）触发半导体化。这一发现不仅深化了对强关联氧化物中缺陷工程的理解，更为设计新型磁电耦合功能材料提供了理论依据。研究结果发表于《Next Materials》，为氧化物电子器件开发奠定了重要基础。