最新研究揭示YSZ晶界处SCLs形成机理及其与晶界取向、原子结构的关系

最新研究揭示YSZ晶界处SCLs形成机理及其与晶界取向、原子结构的关系

在材料科学领域，空间电荷层（SCLs）对多晶材料的性能有着重要影响。特别是在氧化物和锂离子导体中，SCLs的形成会显著影响材料的电导率。近日，东京大学研究团队通过先进的tDPC STEM技术，在YSZ（掺钇稳定的氟锆）晶界处直接观察到了SCLs，并揭示了其与晶界取向、原子结构及钇分配量之间的关系，为开发高性能离子导体材料提供了新的思路。

研究背景

空间电荷层（SCLs）是指在晶界等界面处，由于电荷积累或耗尽而形成的电场分布。由于其对离子导电性、电子导电性及其他重要材料性能的影响，SCLs在多晶材料中引起了广泛关注。特别是在氧化物和锂离子导体中，SCLs的形成在很大程度上影响了材料的电导率和整体性能。例如，掺钇稳定的氟锆（YSZ）因其优异的氧离子导电性和热稳定性，被广泛应用于固体氧化物燃料电池等领域。

然而，研究表明，YSZ晶界的离子导电性显著低于晶粒内部，这一现象被认为与SCLs的形成有关。尽管有关SCLs的研究已经取得了一定进展，但晶界SCLs的具体分布、与晶界取向、原子结构及杂质分布的关系仍存在诸多争议。这些问题主要归因于直接观察晶界电荷分布的困难。

为了解决这些问题，东京大学Takehito Seki, Bin Feng, Yuichi Ikuhara & Naoya Shibata团队通过设计或制备了一种新型材料，采用倾斜扫描平均差分相位对比（tDPC）扫描透射电子显微镜（STEM）技术，成功地直接观察到了YSZ晶界处的电场分布。这一研究首次清晰地揭示了YSZ晶界中具有纳米精度的空间电荷层，并发现其大小与晶界取向及核心原子结构密切相关。

研究还表明，SCLs的大小与钇的分配量有显著的相关性。通过这一方法，研究人员能够克服传统技术中的衍射对比效应，精确地提取出真实的电场信号，从而为深入理解SCLs的形成机制提供了重要的实验数据和理论支持。

仪器解读

本文通过倾斜扫描平均差分相位对比扫描透射电子显微镜（tDPC STEM）这一先进表征技术，发现了掺钇稳定的氟锆（YSZ）晶界处的空间电荷层（SCLs），并揭示了这些电场分布与晶界取向、原子尺度结构及钇分配量之间的关系。通过tDPC STEM的高分辨率电场观察，我们能够在纳米尺度上精确地捕捉到YSZ晶界处的电场分布情况。与传统的表征技术不同，tDPC STEM能够有效抑制衍射对比效应，显著提高了电场信号的提取精度，从而使我们能够更清晰地观察到SCLs的存在及其变化规律。

针对YSZ晶界中SCLs这一现象，本文通过tDPC STEM进一步探讨了SCLs与GB取向、原子结构及杂质分配的关系。研究表明，不同晶界取向对应着不同的电场分布模式，且SCLs的大小与钇的分配量密切相关。这一发现为我们深入理解晶界电荷分布和离子导电性之间的关系提供了重要的理论依据。通过对YSZ晶界电场的微观机理表征，我们揭示了SCLs在影响氧离子导电性方面的关键作用，尤其是在GB处形成的电势障碍如何抑制氧离子在多晶材料中的迁移。

在此基础上，本文还结合高角度环形暗场（HAADF）和能量色散X射线光谱（EDS）等表征手段，进一步研究了YSZ晶界处的原子结构、化学成分及电场分布的相互作用。HAADF图像揭示了晶界区域的原子排列与晶粒内部的差异，EDS分析提供了钇元素的分布信息。这些表征手段相互结合，使我们能够全面了解YSZ晶界处的电场、原子结构和钇分布之间的复杂关系，为开发新型高性能离子导体材料提供了理论支持。

总之，经过tDPC STEM、HAADF和EDS等多种表征手段的深入分析，本文系统地研究了YSZ晶界处SCLs的形成机理及其与晶界取向、原子结构和钇分配的关系。这些发现为我们设计和优化离子导体材料的晶界结构、改善离子导电性提供了新的思路和方法。通过深入理解晶界处的电荷分布和导电机制，本文为制备高性能离子导体新材料，推动固态电池等应用领域的进步奠定了基础。

使用tDPC STEM观察晶界（GB）处电场的示意图

原文详情：Toyama, S., Seki, T., Feng, B. et al. Direct observation of space-charge-induced electric fields at oxide grain boundaries. Nat Commun 15, 8704 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53014-w