孫立濤&鄭海梅Nano Letters：快離子導體的贗電彈性

【引言】

快離子導體因其具有固液雙重特性，被廣泛的應用于儲能、憶阻器、晶體生長等領域。基于固液特性的理論預測表明，在外電場的作用下，類液態的陽離子能夠脫離剛性陰離子亞晶格的束縛，從納米線的一端析出；去除外電場后，析出的金屬陽離子能夠自發的回吸，恢復到其初始狀態。然而，這種贗電彈性并沒有得到實驗上的驗證，且其微觀機制仍不明確。本文采用原位 TEM?技術和第一性原理計算，首次觀察到單晶硫化亞銅納米線動態的贗電彈性伸縮過程，闡明了快離子導體贗電彈性伸縮過程中的微觀機制，并創造性的將贗電彈性應用于納米電機械系統。

【成果簡介】

繼東南大學聯合美國勞倫斯伯克利國家實驗室首次報道了電驅動的陽離子交換方法之后（Nat. Commun.?8, 14889 (2017)）。近日，東南大學的孫立濤，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的鄭海梅，以及德國Juelich研究中心的Ilia Valov (共同通訊)作者等人，利用原位TEM技術，首次觀察到了快離子導體中的贗電彈性現象，揭示了快離子導體中產生贗電彈性的微觀機制，并將此性質應用于納米機械系統。相關成果以“Spring-like pseudoelectroelasticity of?monocrystalline Cu2S nanowire” 為題發表在Nano Letters 上。該論文第一作者為東南大學博士生張秋波和麻省理工學院博士生石哲（共同一作）。

【圖文導讀】

圖1 Cu₂S 納米線的贗電彈性形變

（a）原位實驗設置的結構示意圖；

（b）贗電彈性伸縮過程中實時的電流 VS.時間和長度VS.時間曲線；

（c）贗電彈性伸縮過程圖像序列；

（d）贗電彈性伸縮過程示意圖；

圖2 Cu₂S 納米線的贗電彈性形變過程中的微結構演化

（a-d）析出過程的HRTEM 和相應的FFT圖；

（e）隨時間變化的FFT輪廓線；

（f）高輝銅礦相Cu₂S的原子結構；

（g）2b 位置的Cu原子協同遷移時的能量勢壘；

（h-g）回吸過程的HRTEM 和相應的FFT圖；

圖3 贗電彈性形變過程中的動力機制

（a） 銅離子受力情況的示意圖；

（b）不同偏壓作用下，銅析出弛豫時間和析出物的投影面積；

（c）贗電彈性過程中，四個子過程的受力情況示意圖；

（d）四個子過程相應的電子電化學電位分布；

圖4 單根納米線納米電致動器

（a） 納米線電致動器單個伸縮過程的圖像序列；

（b）致動器工作過程中，受力物體相對距離和相對角度的變化曲線；

（c）納米線電致動器的可重復工作曲線；

【小結】

本文直接的在原子尺度下觀察了Cu₂S納米線的贗電彈性行為，并將此性質應用于納米機械系統。整個電化學動力過程包括：Cu₂S相變，Cu⁺離子的遷移和阻塞，Cu突觸的成核、生長以及自發地回吸。微觀機制表明，銅離子的析出是電場力主導的；銅突觸的回吸是化學電位梯度力主導的。我們的研究為探索快離子導體的性質提供了一個新的視角，也進一步深化了對快離子導體中離子傳輸的認識，能夠拓寬快離子導體在電化學和納米機械系統等領域的應用。

文獻鏈接：Spring-like pseudo-electroelasticity of monocrystalline Cu₂S nanowire?（nano

letters 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01914）

本文由張秋波、石哲供稿，材料牛整理編輯。

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