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層狀氧化物準(zhǔn)一維導(dǎo)電特性形成機(jī)理研究獲進(jìn)展

作者:宋檢 時間:2022-11-30 來源:互聯(lián)網(wǎng)

近日,中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室固體原子像研究部研究員陳春林、馬秀良,IBM蘇伊士實驗室教授、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Johannes Georg Bednorz,以及日本東京大學(xué)教授Yuichi Ikuhara等合作,在原子尺度上建立了準(zhǔn)一維導(dǎo)電材料SrnNbnO3n+2的導(dǎo)電特性與其原子電子結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系,揭示了其準(zhǔn)一維導(dǎo)電特性的形成機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,提出了通過往三維導(dǎo)體中插入絕緣層來制備二維導(dǎo)電材料的研究思路。

SrnNbnO3n+2(i.e. SrNbOx)是具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的一類氧化物,可通過往SrNbO3中引入過剩的氧而獲得。該類氧化物的結(jié)構(gòu)和性能均對其氧含量和分布非常敏感,氧含量的多少決定了其層狀結(jié)構(gòu)的片層厚度與導(dǎo)電特性。早在20多年前,Bednorz領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊已認(rèn)識到SrnNbnO3n+2的準(zhǔn)一維導(dǎo)電特性(沿a軸方向的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它晶體學(xué)取向),并對其形成機(jī)制進(jìn)行了初步探討。然而,長期以來在原子尺度上揭示其準(zhǔn)一維導(dǎo)電特性的起源仍是具有挑戰(zhàn)性的問題。

陳春林等利用掃描透射電子顯微術(shù)與**性原理理論計算相結(jié)合的方法,系統(tǒng)地研究了SrnNbnO3n+2(包括SrNbO3.4、SrNbO3.45及SrNbO3.5等化合物)的電學(xué)性質(zhì)與其Nb離子價態(tài)及NbO6八面體形態(tài)之間的關(guān)系。電子能量損失譜的研究結(jié)果表明,SrnNbnO3n+2的導(dǎo)電性取決于Nb離子的價態(tài):材料中含Nb4+離子的區(qū)域?qū)щ娦阅芰己?,而含Nb5+離子的區(qū)域不導(dǎo)電。過剩的氧聚集于SrnNbnO3n+2中片層間過渡的區(qū)域(文中的鋸齒狀區(qū)域),形成了一層絕緣層,從而使其導(dǎo)電特性呈現(xiàn)二維導(dǎo)電的特征。**性原理計算的結(jié)果進(jìn)一步表明,Nb離子的價態(tài)與其NbO6八面體的形態(tài)直接關(guān)聯(lián):Nb4+離子總是位于NbO6八面體的中心位置,而Nb5+離子總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)地偏離該中心位置。SrnNbnO3n+2中材料局部區(qū)域的電學(xué)性質(zhì)由其NbO6八面體的形態(tài)決定。該研究揭示了SrnNbnO3n+2中準(zhǔn)一維導(dǎo)電特性的形成根源,并為設(shè)計和研發(fā)新型準(zhǔn)一維導(dǎo)電材料提供了思路。目前,針對新型準(zhǔn)一維導(dǎo)電材料的合作研發(fā)正在進(jìn)行當(dāng)中。

研究工作得到了中科院前沿科學(xué)重點研究項目和國家青年千人計劃等的資助。相關(guān)成果在線發(fā)表在ACS Nano上。

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