作为绝缘体，金属氧化物(也称为陶瓷)似乎不是导电性的明显候选物。电子在普通金属中来回滑动时，在陶瓷材料中运动缓慢，作为绝缘体很难被探测到。金属氧化物(也称为陶瓷)似乎不是导电性的明显候选者。当电子在普通金属中来回滑动时，它们在陶瓷材料中的运动速度很慢，很难被探测到。理查德罗宾逊领导的跨学科合作更新了“小极化子跳跃模型”，以反映陶瓷导电的不同路径。他们的工作将帮助研究人员在锂离子电池、燃料电池和电催化等技术中定制金属氧化物的特性。
但是陶瓷确实具有很好的导电性。1961年，在“小极化子跳跃模型”中阐明了这种行为，该模型描述了极化子从材料的一端到另一端的运动(本质上是电子和晶格畸变的耦合)。
工程学院材料科学与工程副教授Richard Robinson领导的跨学科合作表明，这种模型是多么过时和不准确，尤其是对于复杂的氧化物系统。通过更新模型以反映不同的传导路径，研究小组希望其工作能够帮助研究人员在锂离子电池、燃料电池和电催化等技术中定制金属氧化物的特性。
他们的论文《高阶尖晶石中小等离子体跳跃模型的坍塌》发表于《先进材料》年10月21日。作者是博士研究生Anuj Bhargava。
“这是这个领域最常用的公式，但60年来没人碰过。这是一个大问题，因为如今，金属氧化物在许多应用中的性能直接受到所用电导率的影响——例如，在电能储存和发电、电催化和新一代材料等能源系统中，”Robinson说。“许多人目前正在对氧化物进行大量的实验工作，但他们没有仔细研究电荷载流子如何在材料中运动，以及成分如何影响电导率。
彻底的合作
他说，“如果我们知道电子是如何传导的，并且可以定制具有最高电导率的成分，我们就可以优化许多材料的能源效率。”
为了详细了解电子如何在金属氧化物中运动，以及它们的位置如何影响材料的导电性，罗宾逊求助于赫伯特菲斯克约翰逊的工业化教授达雷尔施罗姆。Schlom和他的团队使用界面材料加速实现，分析和发现平台(PARADIM)和康奈尔纳米科学和技术设施(CNF)来生长和表征掺锰氧化铁(MnxFe3-xO4)的薄膜。
然后，Robinson的小组使用康奈尔高能同步加速器光源(CHESS)确定了原子位置和带正电荷的离子(称为阳离子)的电荷状态，并测量了材料的电导率在不同温度下如何变化。
他们将这些材料带给了应用和工程物理学副教授Lena Kourkoutis，她使用先进的电子显微镜获得了原子的晶体基底和成分梯度的精确视图，并证实了研究小组的发现。
最后，Robinson的团队咨询了以色列理工学院Technion的研究人员，他们使用计算方法来解释极化子如何基于能量垒和氧化态以不同的方式跳跃。他们的研究结果揭示了与两种不同阳离子之间的“转换”传导路径相关的高能垒的存在，这提供了组合新公式所必需的关键的最后一部分。
“这个新发现使我们能够洞察一些被忽视的东西。与其用爱迪生的试错法来制造和测试一堆新材料，我们可以采用更系统的方法来弄清楚为什么这些材料会有不同的行为，尤其是在这个真正重要的层面，即电子电导率，”罗宾逊说。“能源材料中的一个重要过程涉及导电性，电子进入和离开材料。因此，导电性对于金属氧化物的任何应用都是非常重要的。”
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