Opdagelse af en ny strukturfamilie af oxid-ion-ledere SrYbInO4

Fordi nogle A2BO4-baserede materialer som (Pr, La)2(Ni, Cu, Ga)O4+δ udviser høj oxidionledningsevne, forskere ved Tokyo Tech har udforsket nye strukturfamilier af ABCO4-baserede materialer som BaRInO4, hvor R repræsenterer et sjældent jordarter. Her, EN, B, og C er kationer placeret på forskellige krystallografiske steder, og A, B, og C i ABCO4 svarer til A, EN, og B, henholdsvis, i A2BO4.

Mange forskere har undersøgt den optiske, elektriske, og magnetiske egenskaber af CaFe2O4-type materialer, men CaFe2O4-type ren oxid-ion ledere er ikke blevet rapporteret endnu. Derfor, Professor Masatomo Yashima og hans kolleger syntetiserede et nyt CaFe2O4-materiale, strontium ytterbium indium oxid, SrYbInO ₄ . De undersøgte dens krystalstruktur fra stuetemperatur til 1273 K, dens temperatur- og partialtrykafhængighed af elektrisk ledningsevne, og oxid-ion diffusionsveje. Belægningsfaktorerne er også omhyggeligt forfinet ved hjælp af ikke kun konventionelle røntgendiffraktionsdata, men også time-of-flight (TOF) og neutron- og synkrotronrøntgendiffraktionsdata af vinkeldispersiv type for at opnå pålidelige resultater. De påviser en delvis Yb/In-erhvervsmæssig lidelse i SrYbInO4 gennem nøje analyser af belægningsfaktorer.

Prof. Yashima og kolleger har valgt den kemiske sammensætning SrYbInO4, fordi den ikke indeholder nogen overgangsmetalkation, hvilket fører til mindre elektronisk ledning. I øvrigt, SrYbInO4 forventedes at have den CaFe2O4-type struktur i strukturfeltkortet vist i fig. 1. Ioniske radier af Sr2+ og (Yb3+, In3+) er større end Ca2+ og Fe3+, derfor forventes SrYbInO4 at have en lavere aktiveringsenergi for oxid-ion-ledningsevne sammenlignet med CaFe2O4.

SrYbInO ₄ blev syntetiseret ved en faststofreaktion. SrYbInO4 blev karakteriseret ved røntgendiffraktion, kemisk analyse, og termogravimetrisk analyse. Båndgabet af SrYbInO ₄ blev også estimeret ved hjælp af UV-vis reflektansspektre, som antydede, at SrYbInO4 er en elektronisk isolator. Disse resultater tydede stærkt på, at SrYbInO ₄ var en ren oxid-ion-leder.

Ved at bruge neutron- og synkrotronrøntgendiffraktionsdata og Rietveld-metoden, Prof. Yashima og kolleger viste, at SrYbInO4 er en enkelt ortorhombisk fase med Yb/In-erhvervsforstyrrelser på B- og C-stederne, og ingen ledige pladser på kation- og iltstederne. Bond valens summer og DFT-baseret strukturel optimering indikerede gyldigheden af ​​den raffinerede krystalstruktur af SrYbInO ₄ . Derfor, det nye materiale SrYbInO4 er det første eksempel på rene oxid-ion-ledere med en CaFe2O4-type struktur.

Yderligere viste temperaturafhængigheden af ​​oxid-ion-ledningsevne lavere aktiveringsenergi af SrYbInO ₄ (1,76 eV) end for CaFe2O4 (3,3 eV), hvilket også blev understøttet af de bindingsvalensbaserede energiberegninger. Den lavere aktiveringsenergi kan tilskrives den større flaskehalsstørrelse for oxid-ion-migrering på grund af de større ioniske radier af Sr2+ og (Yb3+, In3+) end dem af Ca2+ og Fe3+, henholdsvis.

Prof. Yashima og kolleger hævdede, at SrYbInOs oxidionledningsevne ₄ kan forbedres ved doping, ændring af graden af ​​kationordning og uorden, og bruger større A, B, og C-kationer i ABCO4-strukturen, hvilket fører til yderligere sænkning af aktiveringsenergien og højere oxid-ion-ledningsevne. Resultaterne af denne undersøgelse kan åbne nye veje i udviklingen af ​​ABCO4-baserede ionledere.