Oksijen iyon taşıma mekaniği üzerine yerinde elektron mikroskobu araştırması ilerleme kaydetti
İyon regülasyonu, yeni fiziksel durumlar ve özellikler üretmek için önemli bir araçtır. İyon taşınımının eşlik ettiği yapısal faz geçişinin mikro mekanizması, malzeme özelliklerini ve cihaz işlevlerini belirlemenin anahtarıdır. Malzemelerin yeni özelliklerinin atomik mekanizmasını ortaya çıkaran atomik ölçekte iyon taşınmasının dinamik davranışının yerinde gerçek zamanlı gözlemi, malzeme tasarımı ve cihaz uygulamaları için büyük önem taşımaktadır.
Çin Bilimler Akademisi / Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi, Fizik Enstitüsü, Yüzey Fiziği Devlet Temel Laboratuvarı'nda araştırmacı olan Bai Xuedong'un araştırma grubu, on yıldan fazla bir süredir fonksiyonel oksitlerdeki oksijen iyonlarını ve oksijen iyonlarını gözlemlemek ve karakterize etmek için kendi geliştirdiği yerinde elektron mikroskobu teknolojisini kullandı. İletim kinetiği süreci, iyon regülasyonlu yapı faz geçişi çalışmasında bir dizi sonuç elde edilmiştir. Örneğin, yerinde harici alan kontrol yöntemleriyle çok işlevli bir oksit malzeme sistemi olan CeO2'yi (CeO2) hedeflediler ve harici bir elektrik alanının, ceria filmindeki oksijen atomlarının kafesten kaçma engelini büyük ölçüde azaltabileceğini buldular (JACS, 132, 4197 (2010) ve oksijen iyonu düzenlenmiş yapı faz geçişinin kinetik davranışını sistematik olarak karakterize etti (APL, 107, 211902 (2015); ChemCatChem 8, 3326 (2016); Sci China Chem62, 1704 (2019)). Son zamanlarda, orijinale göre Konum teknolojisi ve sapma düzeltme elektron mikroskobu analiz teknolojisinin gelişmesiyle, araştırma grubunun yardımcı araştırmacısı Wang Lifen ve Çin Bilimler Akademisi Üniversitesi'nden doçent Zhang Yuyang, CeO2'deki oksijen difüzyonunun atomik mekanizması çalışmasında yeni bir ilerleme kaydetti.Araştırma ekibi, iletilen elektronları düzeltmek için sapmaları kullanıyor. Mikroskopi gerçek zamanlı atomik görüntüleme teknolojisi ve moleküler dinamik simülasyon yöntemleri, aktifleştirilmiş koşullar altında CeO anizotropik oksijen atomlarının difüzyonunun atomik mekanizmasını ortaya çıkarmıştır.Bu çalışma, Ceria'da Anizotropik Oksijen Difüzyonunu Etkinleştirilmiş Koşullar Altında Görselleştirme başlığı altında "Physics Review Letters" da yayınlandı. (Fiziksel İnceleme Mektupları) Üst: Surface Room SF1 grubunda yüksek lisans öğrencisi olan Zhu Liang ve Nano Room N04 grubunda yüksek lisans öğrencisi olan Jin Xin, bu makalenin ortak ilk yazarlarıdır.
Çalışma, CeO2 nanopartiküllerini karakterize etmek için Aberasyon düzeltmeli TEM kullandı ve Ce ve O atomlarının doğrudan atomla çözümlenmiş görüntülemesini sağladı.Aynı zamanda, transmisyon elektron mikroskobu yüksek enerjili elektron ışınının seryum oksitteki oksijen atomlarına yeterli enerji sağladığı bulundu. Bu, oksijen atomlarının çökelmesine ve florit fazı CeO2 ile ferromangan fazı Ce2O3 arasında seryum oksit eşliğinde faz geçişine neden olur (Şekil 1). Elektron ışını dinamik gözlem ve karakterizasyon için kullanılır ve aynı zamanda oksijen iyonlarının göçünü tetiklemek için bir araç olarak reaksiyondaki oksijen atomlarını ve gerçek zamanlı difüzyon yolunu yakalar (Şekil 2) Seryum oksitteki oksijen atomu difüzyonunun tercihli yolu gerçek zamanlı olarak yerinde gözlemlenir. Deneysel gözlem ve moleküler dinamik simülasyonu sayesinde, seryum oksidin florit yapısındaki oksijen atomlarının < 001 > Yön, öncelikli iletim kanalı olarak kullanılır. İlk prensip hesaplamaları ile birleştirildiğinde, fiziksel sebebin oksijen atomlarının difüzyonuna eşlik eden elektronların yeniden dağılımının yerel Coulomb kuvvetini değiştirmesi ve bunun da kafes bozulmasına yol açması olduğu ortaya çıkmıştır.Oksijen atomu difüzyon yolu, en düşük bozucu enerjiye sahip yönü seçer (Şekil 3). ). Oksijen atomlarının difüzyonuna eşlik eden koordinasyon değerindeki bu değişiklik, yerinde elektron enerji kaybı spektrum analizi sonuçlarıyla da desteklenmektedir (Şekil 4). Bu çalışmada ortaya çıkan florit yapı serisindeki oksijen atomlarının anizotropik taşıma mekanizması, anizotropi ile ilgili özellik ve işlevlerinin düzenlenmesinde yol gösterici bir role sahiptir.
Yukarıdaki çalışma Çin Bilimler Akademisi, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Çin Pekin Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Bilimler Akademisi Gençlik Teşvik Komitesi tarafından finanse edildi.
Şekil 1: CeO2'nin yapı evriminin atomla çözümlenmiş TEM görüntülemesi.
Şekil 2: Yerinde TEM görüntüleme ve O atom difüzyonu ve Ce atomu yeniden düzenleme sürecinin moleküler dinamik simülasyonu.
Şekil 3: CeO2 yüzey aktivitesinin yerinde TEM karakterizasyonu ve oksijen atom taşıma mekaniğinin moleküler dinamik simülasyonu.
Şekil 4: Elektron enerji kaybı spektrumu, ara kimyasal bağların durumundaki değişiklikleri ortaya koymaktadır.
kaynak: Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü
