Samarbejde sætter gang i en ny model for keramisk ledningsevne

Som isolatorer, metaloxider - også kendt som keramik - virker måske ikke som oplagte kandidater til elektrisk ledningsevne. Mens elektroner lyner frem og tilbage i almindelige metaller, deres bevægelse i keramiske materialer er træg og svær at opdage.

Et tværfagligt samarbejde ledet af Richard Robinson opdaterede "lille polaron hopping model" for at afspejle forskellige veje for ledning i keramik. Deres arbejde vil hjælpe forskere, der skræddersyer egenskaberne af metaloxider i teknologier som lithium-ion-batterier, brændselsceller og elektrokatalyse.

Men keramik indeholder en lang række ledningsevner. Denne adfærd blev lagt ud i 1961 i "lille polaron hopping model, " som beskrev bevægelsen af ​​polaroner - i det væsentlige elektroner koblet til en gitterforvrængning - fra den ene ende af et materiale til den anden.

Et tværfagligt samarbejde ledet af Richard Robinson, lektor i materialevidenskab og teknik på College of Engineering, har vist, hvor forældet og unøjagtig den model er, især vedrørende komplekse oxidsystemer. Ved at opdatere modellen til at afspejle forskellige veje for ledning, holdet håber, at deres arbejde vil hjælpe forskere, der skræddersyer egenskaberne af metaloxider i teknologier såsom lithium-ion-batterier, brændselsceller og elektrokatalyse.

Deres papir, "Opdeling af Small-Polaron Hopping Model i højere-ordens spineller, " udgivet 21. oktober i Avancerede materialer . Hovedforfatteren er doktorand Anuj Bhargava.

"Dette er den mest almindeligt anvendte formel på området, men det var ikke blevet rørt i 60 år. Det er en stor sag, fordi i dag, metaloxider bruges i mange applikationer, hvor ydeevnen er direkte påvirket af ledningsevnen - f.eks. i energisystemer som lagring og generering af elektrisk energi, elektrokatalyse, og i den nye generation af materialer, " sagde Robinson. "Mange mennesker lægger en stor mængde eksperimentel indsats i oxider lige nu, men de har ikke nøje undersøgt, hvordan ladningsbærerne bevæger sig i materialet, og hvordan sammensætningen påvirker denne ledningsevne.

Radikalt samarbejde

"Hvis vi forstod, hvordan elektroner ledes, og vi kunne tilpasse sammensætningen til at have den højeste ledningsevne, vi kunne optimere energieffektiviteten af ​​en masse materialer derude, " han sagde.

For at få et detaljeret kig på, hvordan elektroner bevæger sig i metaloxider, og hvordan deres besættelsessteder kan påvirke materialets ledningsevne, Robinson henvendte sig til Darrell Schlom, Herbert Fisk Johnson professor i industriel kemi. Schlom og hans team brugte platformen til den accelererede realisering, Analyse, og Discovery of Interface Materials (PARADIM) og Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) til at dyrke og karakterisere tynde krystallinske film af mangan-doteret jernoxid (MnxFe3-xO4).

Robinsons gruppe brugte derefter Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) til at bestemme de atomare steder og ladningstilstanden for de positivt ladede ioner, kaldet kationer, og målt, hvordan materialets ledningsevne ændrer sig ved forskellige temperaturer.

De bragte materialet til Lena Kourkoutis, lektor i anvendt og teknisk fysik, som brugte avanceret elektronmikroskopi til at få et atomisk præcist billede af krystallens substrat og sammensætningsgradienter, og bekræftede holdets resultater.

Til sidst, Robinsons team konsulterede forskere ved Technion—Israel Institute of Technology, som brugte beregningsmetoder til at forklare, hvordan polaroner hopper forskelligt i materialer baseret på energibarrierer og oxidationstilstande. Deres resultater afslørede eksistensen af ​​store energiske barrierer forbundet med at "skifte" ledningsveje mellem de to forskellige kationer, og dette gav den afgørende sidste brik, der var nødvendig for at sammensætte en ny formel.

"Denne nye opdagelse giver os indsigt i noget, der er blevet overset. I stedet for det Edisonske, trial-and-error tilgang til bare at lave og teste en masse nye materialer, vi kan nu tage en mere systematisk tilgang til at finde ud af, hvorfor materialerne opfører sig anderledes, især på dette virkelig vigtige niveau, som er elektronisk ledningsevne, " sagde Robinson. "De vigtige processer i energimaterialer involverer ledningsevne, elektroner, der kommer ind og ud af materialet. Så til enhver applikation med metaloxider, ledningsevne er vigtig."