铟掺杂Se-Te-Sn硫系玻璃陶瓷的阻抗谱学研究：揭示快速极化与能量存储转换的构效关系

本文研究了铟(In)掺杂Se78-xTe20Sn2Inx硫系玻璃陶瓷的阻抗特性，通过等效电路建模揭示了晶界与晶粒的双弛豫机制，发现非德拜弛豫行为和负温度系数电阻(NTCR)特性。研究证实铟掺杂可优化相稳定性，获得超短弛豫时间(～10-11 s)和适中活化能(0.26-0.34 eV)，为新一代热电模块和超级电容器提供了理想的功能层材料。

　　

在材料科学领域，硫系玻璃因其独特的电学和光学特性备受关注，这类材料在红外光学、相变存储和辐射屏蔽等领域展现出巨大潜力。然而，传统硫系玻璃普遍存在载流子迁移率低、晶界阻抗高等问题，严重制约了其在能量转换与存储设备中的应用。如何通过组分调控优化其介电响应和电荷传输性能，成为当前研究的重点难点。

针对这一挑战，Kaushal Kumar Sarswat等人在《Next Materials》发表了关于铟掺杂Se-Te-Sn硫系玻璃陶瓷的突破性研究。团队采用熔融淬火法制备了Se_78-xTe₂₀Sn₂In_x(x=0-6)系列样品，通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱确认了In₂Se₃和SnTe等纳米晶相的存在。借助阻抗谱技术(0.1-500 kHz)和变温电学测试(300-333 K)，系统揭示了材料的结构-性能关系。

关键技术方法
研究采用熔融淬火法制备玻璃样品，通过XRD和差示扫描量热法(DSC)表征非晶/晶相组成，扫描电镜(SEM)观察表面形貌，能量色散X射线谱(EDAX)验证元素分布。电学性能测试使用LCR meter测量复阻抗，采用等效电路模型拟合数据，结合Cole-Cole公式和常数相位元件(CPE)分析非理想弛豫行为。

结果与讨论
3.1 阻抗响应特性
Nyquist图显示温度诱导的弛豫过程转变：低温区单一半圆对应晶粒主导响应，高温区出现双弧结构揭示晶界贡献增强。CPE模型拟合证实非德拜弛豫，弛豫时间τ随温度升高呈指数衰减，符合Arrhenius关系。

3.2 介电弛豫动力学
复模量谱显示高频区晶粒响应与低频区晶界效应的分离。STSI-2样品表现出最短弛豫时间(7.76×10^-11 s)，对应超快极化能力，这是超级电容器快速充放电的关键指标。

3.3 导电机制
AC电导率分析证实关联势垒跳跃(CBH)为主导传输机制。频率指数s的温度依赖性表明In掺杂优化了载流子-晶格耦合，STSI-1样品获得最低活化能(0.26 eV)，与高性能SnTe基热电材料相当。

3.4 Meyer-Neldel规则验证
活化能与指前因子的补偿关系证实熵辅助跳跃传导，STSI-1的Meyer-Neldel能量(9.74 eV)表明其具有优异的结构稳定性，这对器件长期循环性能至关重要。

结论与意义
该研究首次系统阐明了In掺杂对Se-Te-Sn玻璃陶瓷电学性能的调控机制：

1. 1.通过形成In₂Se₃纳米晶相优化相稳定性，实现晶界阻抗调控
2. 2.超短弛豫时间和适中活化能的组合使其兼具快速极化与高效电荷传输特性
3. 3.CBH传导机制与Meyer-Neldel行为的确认为材料设计提供理论指导

这些发现使STSI-1/2成为极具潜力的多功能材料，可同时满足超级电容器(快速极化)、热电模块(载流子输运)和固态电解质(离子迁移)等不同应用场景的需求。研究为硫系玻璃在能源领域的应用开辟了新途径，特别是为开发适应高频工作的微型化储能器件提供了材料基础。