复合金属氧化物原子无序性的新见解

材料牛注：在由田纳西大学和能源部橡树岭国家实验室领导的一项研究中，研究人员发现了复合金属氧化物中原子无序化的新机制，该发现很快将给与能源相关的应用材料带来福音。

三位田纳西研究员——核工程助理教授Maik Lang，物理学助理教授周海东，核工程和物理学研究生助理Jacob Shamblin，研究了一类重要的复合金属氧化物，其中，每种材料都由至少两个带正电荷的金属离子和氧组成。这些复合金属氧化物应用范围广泛，可用作固体氧化物燃料电池中的快离子导体，核废料封存的主体材料，以及燃气涡轮喷气发动机的热障涂层。

在该研究中，研究小组使用最先进的中子表征技术对这些材料原子的排列性质进行了研究，并获得了详细了解和最新见解。该研究结果发表在2月29日的Nature Materials 上。

“我们在这项研究中所分析的复合氧化物——绿石和尖晶石——已经被不同的科研人员研究了几十年，” Maik Lang说，“在高温或高能辐射等极端环境下，许多化合物会在局部失去其长程有序的晶体结构，阳离子会随机交换晶体点阵中的阵点。”Maik Lang表示，在发现这些材料中新的原子无序化机制的过程中，多学科研究团队和能源部科学办公室的设施——橡树岭国家实验室散裂中子源的独特能力都起到了帮助作用。

在SNS的仪器科学家Mikhail Feygenson和Joerg Neuefeind的帮助下，Lang和他的团队使用纳米有序材料衍射仪（NOMAD）来深入了解样品局部的晶体结构——这是NOMAD首次用于离子照射材料的中子散射实验。中子对于这种类型的研究不可缺少，因为它们能准确地检测材料中氧原子的位置。

NOMAD的数据分析显示，在原子水平上，这些材料的阳离子和氧是有序排列的，只有在更长的取样范围内才会呈现随机分布，这一个发现非常重要。

Lang说异构的无序性在意料之外，但似乎许多材料在恶劣的工作条件下都是这样的，对于无序性的新见解是控制氧气的流动性和复杂氧化物中声子传输的基础，这对于技术应用来说是很重要的。

通过更好地了解这些材料，研究团队可以通过一系列技术帮助改善和控制材料的性能——封存核废料就是一个典型的例子。

“这些材料具有在结构上调节其原子无序性的能力，因此一些抗蚀的成分在辐射或高温下变得完全无定形，”Lang说，“这样的材料可以作为主体材料固定锕系元素，诸如钚。预测放射性核素的流动对其作为核废料的安全使用非常重要，但这需要自辐射对原子结构影响的详细知识。”

Lang表示团队的数据将在原子尺度上提供重要的信息，从原始局部结构缺陷到长程可观察到的材料变形，因此可以精确地模拟废料的性质并将其降解。

相关论文发表于Nature Materials 。

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

感谢材料人编辑部门提供素材