Omdat sommige op A2BO4 gebaseerde materialen zoals (Pr, La)2(Ni, Cu, Ga)O4+δ vertonen een hoge oxide-ionen geleidbaarheid, wetenschappers van Tokyo Tech hebben nieuwe structuurfamilies van op ABCO4 gebaseerde materialen onderzocht als BaRInO4, waarbij R staat voor een zeldzaam aarde-element. Hier, EEN, B, en C zijn kationen die zich op verschillende kristallografische locaties bevinden, en een, B, en C in ABCO4 komen overeen met A, EEN, en B, respectievelijk, in A2BO4.

Veel onderzoekers hebben de optische, elektrisch, en magnetische eigenschappen van CaFe2O4-type materialen, maar de CaFe2O4-type zuivere oxide-ionengeleiders zijn nog niet gerapporteerd. Daarom, Professor Masatomo Yashima en collega's synthetiseerden een nieuw CaFe2O4-type materiaal, strontium ytterbium indium oxide, SrYbInO ₄ . Ze onderzochten de kristalstructuur van kamertemperatuur tot 1273 K, zijn temperatuur- en partiële drukafhankelijkheid van elektrische geleidbaarheid, en oxide-ion diffusieroutes. De bezettingsfactoren worden ook zorgvuldig verfijnd met behulp van niet alleen conventionele röntgendiffractiegegevens, maar ook time-of-flight (TOF) en hoekdispersieve neutronen- en synchrotron-röntgendiffractiegegevens om betrouwbare resultaten te verkrijgen. Ze demonstreren een gedeeltelijke Yb/In beroepsstoornis in SrYbInO4 door zorgvuldige analyses van bezettingsfactoren.

Prof. Yashima en collega's hebben gekozen voor de chemische samenstelling SrYbInO4, omdat het geen overgangsmetaalkation bevat, wat leidt tot minder elektronische geleiding. Bovendien, Van SrYbInO4 werd verwacht dat het de CaFe2O4-type structuur zou hebben in de structuurveldkaart getoond in Fig. 1. Ionische stralen van Sr2+ en (Yb3+, In3+) zijn groter dan die van Ca2+ en Fe3+, dus wordt verwacht dat SrYbInO4 een lagere activeringsenergie heeft voor oxide-ionengeleiding in vergelijking met CaFe2O4.

SrYbInO ₄ werd gesynthetiseerd door een reactie in vaste toestand. SrYbInO4 werd gekarakteriseerd door röntgendiffractie, chemische analyse, en thermogravimetrische analyse. De bandgap van SrYbInO ₄ werd ook geschat met behulp van UV-vis reflectiespectra, wat suggereerde dat SrYbInO4 een elektronische isolator is. Deze resultaten suggereerden sterk dat SrYbInO ₄ was een zuivere oxide-ionengeleider.

Met behulp van neutronen en synchrotron röntgendiffractiegegevens en Rietveld-methode, Prof. Yashima en collega's toonden aan dat SrYbInO4 een enkele orthorhombische fase is met Yb/In beroepsstoornissen op de B- en C-sites, en geen vacatures op de kation- en zuurstoflocaties. Bondvalentiesommen en op DFT gebaseerde structurele optimalisatie gaven de validiteit aan van de verfijnde kristalstructuur van SrYbInO ₄ . Daarom, het nieuwe materiaal SrYbInO4 is het eerste voorbeeld van zuivere oxide-ionengeleiders met een CaFe2O4-type structuur.

Verder toonde de temperatuurafhankelijkheid van de oxide-ionen geleidbaarheid een lagere activeringsenergie van SrYbInO ₄ (1,76 eV) dan die van CaFe2O4 (3,3 eV), die ook werd ondersteund door de op obligatievalentie gebaseerde energieberekeningen. De lagere activeringsenergie is toe te schrijven aan de grotere bottleneck voor oxide-ionmigratie vanwege de grotere ionische stralen van Sr2+ en (Yb3+, In3+) dan die van Ca2+ en Fe3+, respectievelijk.

Prof. Yashima en collega's beweerden dat de geleidbaarheid van oxide-ionen van SrYbInO ₄ kan worden verbeterd door doping, het veranderen van de mate van kationordening en wanorde, en met grotere A, B, en C-kationen in de ABCO4-structuur, wat leidt tot een verdere verlaging van de activeringsenergie en een hogere geleidbaarheid van oxide-ionen. De bevindingen van deze studie kunnen nieuwe wegen openen in de ontwikkeling van op ABCO4 gebaseerde ionengeleiders.