Electronic Structure Design in High-Entropy Oxides: Enabling Frequency-Dependent Dielectric Behavior for Advanced Applications

高-κ电介质 电介质 材料科学 高熵合金 光电子学 凝聚态物理 电子工程 工程物理 纳米技术 物理 工程类 复合材料 微观结构
作者
Hashan N. Thenuwara,Huei-Jyun Shih,Hasanthi L. Senevirathna,Ying-Chieh Lee,Xu Li,Ping Wu
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsaelm.4c01979
摘要

This study investigates the design of an electronic structure in a defect-engineered (MgCoNiCuZn)O high-entropy oxide (HEO), demonstrating distinct frequency-dependent dielectric behavior enabled by a complex microstructure. Detailed structural analysis reveals a phase transformation from a multiphase mixture at lower calcination temperatures to a stable, single-phase rock-salt structure at 1000 °C. Scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping show unique elemental domain segregation, with p-type (Cu, Ni, Co) and n-type (Zn, Mg) semiconductor domains forming multiple internal interfaces. These interfaces facilitate two key polarization mechanisms: (1) interfacial (Maxwell–Wagner–Sillars) polarization within grains, driven by charge accumulation at domain boundaries, and (2) space charge polarization across grain boundaries. Dielectric measurements reveal strong frequency dependence, with high dielectric properties at low frequencies suitable for charging applications and reduced dielectric values at high frequencies, beneficial for discharging processes such as regenerative braking in electric vehicles. This work demonstrates the potential of electronic structure design in HEOs to tailor dielectric properties for advanced applications, including tunable radio frequency (RF) devices, wireless communication, adaptive energy storage systems, and electric vehicle technologies.

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