在环保型单斜硅灰石GdPO?中的高效双电荷传输：实现低能耗相关势垒跃迁导电与介电弛豫

《Materials Research Bulletin》：Energy-Efficient Dual Charge Transport in Eco-Friendly Monazite GdPO 4: Unlocking Low-Energy Correlated Barrier Hopping Conduction and Dielectric Relaxation

　　

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  合成了钆磷酸盐（GdPO4）矿物型样品，并通过XRD确认了其结构。
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  在160至300 K和40 Hz至1 MHz的范围内测量了阻抗谱。
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  阻抗和模量分析揭示了两种不同的松弛机制。
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  交流导电遵循低能量相关势垒跃迁（CBH）模型。
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  GdPO4是一种有前景的环保型固态能源器件材料。

引言

一般的稀土正磷酸盐化学式为REPO₄，其中RE表示镧系元素，这类无机材料在科学上具有丰富的内涵，在技术上也非常重要，过去几十年来一直受到持续的研究关注。这些化合物以其优异的化学稳定性、高热稳定性、低热导率以及出色的抗辐射损伤性能而闻名，这些特性使它们成为包括热障涂层、核废料固化基质、固态电解质、发光材料和生物医学支架在内的多种先进技术应用中的理想候选材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。

GdPO₄结晶为单斜晶系的矿物型结构，空间群为P2₁/n，这种结构特征常见于较重的稀土正磷酸盐，其特点是由扭曲的GdO₉多面体和PO₄四面体通过共享的边和角相互连接形成的致密三维框架。矿物型结构以其优异的能力而著称，能够将锕系和镧系元素纳入晶格中而不引起显著的结构破坏，这一特性使其成为放射性废物固化的理想基质[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。GdPO₄中稀土阳离子的配位数为九，加上PO₄四面体内P-O键的强共价特性，使其在极端的温度、压力和辐射条件下仍保持出色的机械和化学稳定性。因此，了解其晶体结构及其与物理性质之间的关系，是基于这种化合物设计适用于苛刻技术环境的材料的基础[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。

章节摘录

合成

多晶GdPO₄是采用传统的固态反应路线制备的。使用高纯度的Gd₂O₃（99.99%）和(NH₄)₂HPO₄（99.9%）作为起始材料。在玛瑙研钵中充分研磨后，将混合物放入铂 crucible中，然后缓慢升温至573 K，持续5小时以去除H₂O和NH₃等挥发性成分。随后重新研磨混合物，压制成颗粒，并重新加热至1173 K，保持24小时以保证质量。

晶体结构与相纯度分析

GdPO₄的结构通过使用FullProf代码对X射线衍射数据进行Rietveld精修来确定[46]。该化合物采用单相单斜晶系结构（图1），空间群为P2₁/n，其中Gd³⁺阳离子由九个氧原子配位在一个扭曲的多面体中，而磷原子位于四面体的PO₄位置，这些四面体连接着钆的多面体，形成了致密的三维框架。

结论

通过固态反应合成了多晶矿物型GdPO₄（P2₁/n），并使用XRD、SEM/EDS、阻抗谱和介电测量在160–300 K温度范围内对其进行了表征。Rietveld精修确认了其相纯度（Rwp = 2.32%，χ2 = 1.44），SEM/EDS显示了尺寸为3.12 μm的不规则颗粒，且具有化学计量组成的特性。阻抗分析识别出两种不同的等效电路机制：在160–220 K范围内为单一的（CPE/R/C）子电路，在更高温度下为双重（CPE/R/C）–（CPE/C）配置。

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A. Oueslati： 数据管理。Toumi Maher： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析。S. Kammoun： 验证、监督、方法论设计。Omari L.： 数据管理。R. Dhahri： 可视化、验证、监督、方法论设计。E. Dhahri： 监督、软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析。

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