離子電導界面增強效應研究進展

2021-01-08 科學網

 氟離子在兩相材料界面間轉移，與空間電荷在具有不同界面間距的異質結多層膜中分布的示意圖

 

最近，中國科學院上海矽酸鹽研究所的郭向欣博士與德國斯圖加特馬普固態研究所的Joachim Maier教授合作，在實驗測試和理論分析兩個方面，完成了對納米尺度CaF2/BaF2多層膜異質結中離子電導界面增強效應的全面量化解釋。該項研究的論文發表在《先進功能材料》（Adv. Funct. Mater）雜誌上。

 

利用界面特性可以有效提高固態離子導體的電導率，由於這方面的科學研究對應用於能源和環境領域的材料性能的提高具有非常重要的意義，因而成為人們關注的熱點。界面可以是複合材料、二維異質結或多晶晶界等多種不同形式的兩相接觸。通過利用界面所具有的不同於體相的物理化學特性，不但可以實現材料電導的增強，甚至可以改變材料的導電類型。特別是在納米尺度的材料體系中，體相的作用被顯著減小，界面成為主導材料性能的主要因素。採用分子束外延技術生長的高度取向的CaF2/BaF2多層膜異質結是展示離子電導界面增強效應的典型範例，此項研究曾於2000年在《自然》雜誌上被報導過。進一步的研究表明，隨著界面間距的減小，在平行於界面方向上電導表現為隨界面間距倒數變化的線性和非線性增加兩個區間，而且非線性的變化規律還與溫度相關聯。怎樣理解其中機理，在理論上給予合理的解釋一直是困擾該領域科學家的難題。為解決這一難題，郭向欣博士在德國斯圖加特馬普固態研究所開展了大量深入細緻的實驗和理論工作，並在回到上海矽酸鹽研究所以後繼續進行了很多理論方面的計算。量化分析了異質界面之間氟離子轉移的缺陷化學過程，基於實驗測試在理論計算中合理地引入了隨溫度變化的缺陷分布模型，完全擬合了實驗中觀測到的平行界面方向上電導隨界面間距變化的數據曲線。同時成功地在導電基底上實現了與平行電導研究具有同樣晶面取向的多層膜異質結的外延生長，完成了垂直電導率的測量和理論擬合，進一步證實了用於解釋平行電導率理論模型的正確性。最終，揭示了平行電導非線性增加的介觀尺寸效應機理、闡明了平行與垂直電導隨界面間距減小所表現出的不同變化規律的根本原因、以及由於溫度變化而引起的Gouy-Chapman到Mott-Schottky空間電荷分布的轉變。

 

此項工作完善了應用於分析界面間缺陷化學過程的理論模型，創新地並成功地實現了平行與垂直於界面兩個方向上電導率的比較研究，所得到的結論為利用界面設計和界面工程實現離子導體電導率的提高提供了理論指導與實驗依據。（來源：中科院上海矽酸鹽研究所）

 

（《先進功能材料》（

Adv. Funct. Mater

），doi:10.1002/adfm.200800805，Xiangxin Guo ，Joachim Maier ）

 

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《先進功能材料》發表論文摘要

 

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