中科大俞書宏/上海交大鄔劍波JACS：利用“ChemTEM”實現固相離子遷移的原位可視化研究

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第一作者：何振、常力戈、林岳

通訊作者：俞書宏、劉建偉、鄔劍波

通訊作者單位：中國科學技術大學、上海交通大學

【引言】

離子遷移是一種化學反應過程，即陽離子通過陰離子晶格或金屬氧化物晶格的輸運過程，深入研究離子遷移機制對開發高性能器件具有重要意義。目前，離子遷移通常伴隨著電荷和質量轉移，非常類似于生物突觸系統中的Ca²⁺的輸運，在很多器件中發揮重要作用，如鋰離子電池、鈣鈦礦太陽能電池、電致變色器件和憶阻器件等。理解離子遷移機制并合理控制離子傳輸過程將改善提高器件的性能。然而固相離子遷移過程復雜且較難追蹤，發展新表征方法實現在原子尺度上原位研究具有納米間隙的組裝體結構之間的離子遷移仍然是未知的挑戰。化學透射電子顯微鏡（ChemTEM）是一種新興技術，可以利用電子束在成像同時觸發化學反應實現原位研究。通過調節電子束劑量等參數可以很好地控制化學反應的類型和速率以及鍵解離。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊與上海交大鄔劍波教授、中科大倪勇教授等開展多方合作，設計利用原位ChemTEM方法定量研究共組裝納米線之間的固相離子遷移過程。研究人員以Te-Ag納米線共組裝結構為研究模型，通過對Ag離子在納米線內部和納米線之間的遷移過程的追蹤，發現Ag離子可以通過Te納米結構的(101)表面嵌入晶格，揭示了Ag在單層Te 納米線陣列上的各向異性遷移行為。此外，基于對實驗數據的分析和相場建模，Ag離子在納米線表面的遷移速率快于本體相的遷移速率，并導致形成錐形核殼結構。同時，觀察到相鄰納米線之間連接“橋”，證實了Ag離子跨尺度遷移的路徑。相關成果4月8日以“Real-time visualization of solid-phase ion migration kinetics on nanowire monolayer”為題發表在《美國化學會志》雜志上（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142 (17), 7968-7975）。

【圖文導讀】

圖1. 離子遷移區域納米線結構表征

（a）Ag在電子束下的遷移示意圖

（b）Ag-Te納米線共組裝結構電鏡圖

（c）Ag納米線消失過程結構變化電鏡圖

（d）Ag在Te納米線組裝結構的遷移方向

（e）遷移區域的元素線掃分布

圖2. 離子遷移界面高分辨結構表征

（a）Ag、Te的元素分布圖

（b）Ag₂Te-Te異質結構高分辨電鏡圖

（c）遷移界面的晶面結構電鏡圖

（d）Te納米線原子結構示意圖

（e）遷移前后原子結構變化示意圖

圖3. Ag在單根納米線內部遷移過程

（a）Te納米線內部遷移路徑示意圖

（b-e）遷移過程中納米線晶格結構變化電鏡圖

（f）相場模擬示意圖

圖4. 單根納米線遷移模型

圖5. Ag在組裝納米線之間的遷移過程

（a）遷移過程中Te納米線之間的結構變化圖

（b）納米線間距變化

（c-d）納米線遷移中間態連接“橋”

圖6. Ag在Se@Te納米線上的遷移

（a）Se@Te納米線組裝結構電鏡圖

（b）Se@Te納米線-Ag納米線共組裝結構電鏡圖

（c-f）Ag、Te、Se在遷移區域的分布圖

【小結】

??? 研究人員以Te-Ag納米線共組裝結構為研究模型，利用原位“ChemTEM”技術從原子尺度研究固相Ag離子的動態遷移過程，提出了各向異性納米組裝結構上固相離子遷移動力學機制，有助于定制和制備新穎的異質納米結構，同時為探索不同納米材料體系中的離子遷移過程開辟一條新途徑。該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心等項目的資助。

【團隊介紹】

俞書宏，中國科學院院士，中國科學技術大學教授，博士生導師，教育部“長江學者獎勵計劃”長江特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、國家重大科學研究計劃項目首席科學家、英國皇家化學會會士、國家自然科學基金委創新研究群體科學基金學術帶頭人、科技部創新人才推進計劃重點領域創新團隊負責人。

鄔劍波，博士，上海交通大學特別研究員，博士生導師。2014年12月加入上海交通大學材料科學與工程學院及金屬基復合材料國家重點實驗室任特別研究員。在世界頂級雜志，包括Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Mater., Chem. Mater., Chem. Comm., J. Mater. Chem., 和Nano Res.等發表60余篇高水平論文，引用達3700多次。影響因子> 10的有20余篇，擁有2項美國專利、4項中國專利。

論文鏈接：

He, Z. et al. Real-Time Visualization of Solid-Phase Ion Migration Kinetics on Nanowire Monolayer. J. Am. Chem. Soc. 142, 7968-7975 (2020).

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02137