ANSTO heeft bijgedragen aan onderzoek geleid door de Universiteit van Sydney, dotering van overgangsmetalen in een polymorf van bismutoxide in een zoektocht naar meer structurele stabiliteit.

Kubieke hoge temperatuur polymorf van bismutoxide, δ-Bi2O3, is de bekendste oxide-ionische geleider, maar het smalle stabiliteitsbereik (729-817 ° C), die dicht bij de smelttemperatuur van 817 ° C ligt, sluit het praktische gebruik ervan uit.

Een grote samenwerking, onder leiding van professor Chris Ling en Dr. Julia Wind (als onderdeel van haar Ph.D.) van de Universiteit van Sydney, waarbij onderzoekers van ANSTO en twee andere universiteiten betrokken waren, heeft het ontwerp en begrip van de complexe kristalstructuur en chemie achter een evenredige structuur binnen het snel-iongeleidende gestabiliseerde bismutoxide bereikt, co-gedoteerd met chroom en niobium, Bi23CrNb3O45.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Chemie van materialen .

Dr. Zhaoming Zhang van ANSTO (rechtsonder afgebeeld) leverde haar expertise in röntgenabsorptiespectroscopie aan het onderzoek.

Lage en hoge energie röntgenabsorptie nabij randstructuur (XANES) gegevens werden verkregen van respectievelijk de zachte röntgenstralen (SXR) en röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) bundellijnen bij de Australische Synchrotron, en middelzware XANES-gegevens van de 'Tender'-bundellijn bij het National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) in Taiwan, die hielpen om details van de complexe bovenbouw te verduidelijken, in combinatie met neutronen, synchrotron röntgen- en elektronendiffractie, hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie en ab initio berekeningen.

"Spectroscopie is in dit geval erg belangrijk vanwege de verscheidenheid aan mogelijke oxidatietoestanden en lokale structuren voor de doteringen van overgangsmetalen, " zei Zhang.

"XANES-spectra geven u niet alleen informatie over de oxidatietoestand van de metaaldoteerstoffen, maar ook over de lokale coördinatie en locatiegeometrie eromheen, dat was zeer informatief voor dit onderzoek."

In een "normaal" kristal, het kristal wordt gebouwd door de eenheidscel te herhalen door translatie langs de 3 richtingen van de ruimte.

Voor gemoduleerde structuren, de periodiciteit is in meer dan drie dimensies. Als de verhouding van de modulatieperiode tot de eenheidscellengte rationeel is, wordt de modulatie 'evenredig' genoemd, anders wordt het 'onevenredig'.

Omdat de modulatievector varieerde met zowel het type overgangsmetaaldoteringsmiddelen als de verhouding bismut tot overgangsmetaal, de onderzoekers hadden twee onafhankelijke variabelen om de samenstelling chemisch af te stemmen op zoek naar een evenredige ε =1/3 structuur, die werd gevonden in Bi23CrNb3O45.

"Het interpreteren van de spectroscopiegegevens was enigszins uitdagend vanwege de complexiteit van de bovenbouw. ​​De resultaten bevestigden niet alleen de aanwezigheid van zeswaardig chroom en vijfwaardig niobium in Bi23CrNb3O45, maar vertelde ons ook dat elk niobium wordt omgeven door zes zuurstofatomen en chroom door vier zuurstofatomen, " zei Zhang.

In de bovenbouw, de zuurstofatomen rond overgangsmetalen zijn lokaal geordend en vormen tetraëdrische clusters van NbO6-octaëders en geïsoleerde CrO4-tetraëders, het scheiden van relatief ongeordende gebieden van het fluoriettype die de hoge oxide-ionische geleiding vergemakkelijken. (Zie kristalstructuur hierboven)

"Hoewel doping van bismutoxide met zeldzame aardmetalen een hogere geleidbaarheid vertoont, de met overgangsmetaal gedoteerde bismutoxiden kunnen een betere stabiliteit op lange termijn bieden, " zei Zhang.

Hoewel dit een fundamentele studie was, bismutoxide is van groot belang als materiaal omdat zijn mobiele zuurstofdefecten kunnen fungeren als ladingsdragers in ionische apparaten, zoals vaste oxide brandstofcellen.

een nieuwe, XAS-bundellijn met gemiddelde energie wordt gepland bij het Australische Synchrotron als onderdeel van het Br-GHT-initiatief. "Als het eenmaal is gebouwd, we hoeven niet langer naar Taiwan te reizen voor XANES-experimenten met gemiddelde energie, " zei Zhang.