復合金屬氧化物原子無序性的新見解

材料牛注：在由田納西大學和能源部橡樹嶺國家實驗室領導的一項研究中，研究人員發現了復合金屬氧化物中原子無序化的新機制，該發現很快將給與能源相關的應用材料帶來福音。

三位田納西研究員——核工程助理教授Maik Lang，物理學助理教授周海東，核工程和物理學研究生助理Jacob Shamblin，研究了一類重要的復合金屬氧化物，其中，每種材料都由至少兩個帶正電荷的金屬離子和氧組成。這些復合金屬氧化物應用范圍廣泛，可用作固體氧化物燃料電池中的快離子導體，核廢料封存的主體材料，以及燃氣渦輪噴氣發動機的熱障涂層。

在該研究中，研究小組使用最先進的中子表征技術對這些材料原子的排列性質進行了研究，并獲得了詳細了解和最新見解。該研究結果發表在2月29日的Nature Materials?上。

“我們在這項研究中所分析的復合氧化物——綠石和尖晶石——已經被不同的科研人員研究了幾十年，” Maik Lang說，“在高溫或高能輻射等極端環境下，許多化合物會在局部失去其長程有序的晶體結構，陽離子會隨機交換晶體點陣中的陣點。”Maik Lang表示，在發現這些材料中新的原子無序化機制的過程中，多學科研究團隊和能源部科學辦公室的設施——橡樹嶺國家實驗室散裂中子源的獨特能力都起到了幫助作用。

在SNS的儀器科學家Mikhail Feygenson和Joerg Neuefeind的幫助下，Lang和他的團隊使用納米有序材料衍射儀（NOMAD）來深入了解樣品局部的晶體結構——這是NOMAD首次用于離子照射材料的中子散射實驗。中子對于這種類型的研究不可缺少，因為它們能準確地檢測材料中氧原子的位置。

NOMAD的數據分析顯示，在原子水平上，這些材料的陽離子和氧是有序排列的，只有在更長的取樣范圍內才會呈現隨機分布，這一個發現非常重要。

Lang說異構的無序性在意料之外，但似乎許多材料在惡劣的工作條件下都是這樣的，對于無序性的新見解是控制氧氣的流動性和復雜氧化物中聲子傳輸的基礎，這對于技術應用來說是很重要的。

通過更好地了解這些材料，研究團隊可以通過一系列技術幫助改善和控制材料的性能——封存核廢料就是一個典型的例子。

“這些材料具有在結構上調節其原子無序性的能力，因此一些抗蝕的成分在輻射或高溫下變得完全無定形，”Lang說，“這樣的材料可以作為主體材料固定錒系元素，諸如钚。預測放射性核素的流動對其作為核廢料的安全使用非常重要，但這需要自輻射對原子結構影響的詳細知識。”

Lang表示團隊的數據將在原子尺度上提供重要的信息，從原始局部結構缺陷到長程可觀察到的材料變形，因此可以精確地模擬廢料的性質并將其降解。

相關論文發表于Nature Materials?。

原文參考地址：https://www.technologyreview.com/s/600922/first-solars-cells-break-efficiency-record/

感謝材料人編輯部門提供素材