Als isolatoren, metaaloxiden - ook bekend als keramiek - lijken misschien niet voor de hand liggende kandidaten voor elektrische geleidbaarheid. Terwijl elektronen heen en weer ritselen in gewone metalen, hun beweging in keramische materialen is traag en moeilijk te detecteren.

Een interdisciplinaire samenwerking onder leiding van Richard Robinson heeft het "kleine polaron-hopping-model" bijgewerkt om verschillende paden voor geleiding in keramiek weer te geven. Hun werk zal onderzoekers helpen die de eigenschappen van metaaloxiden op maat maken in technologieën zoals lithium-ionbatterijen, brandstofcellen en elektrokatalyse.

Maar keramiek bevat wel een groot aantal geleidbaarheden. Dit gedrag werd in 1961 uiteengezet in het "kleine polaron-hopping-model, " die de beweging van polaronen beschreef - in wezen elektronen gekoppeld aan een roostervervorming - van het ene uiteinde van een materiaal naar het andere.

Een interdisciplinaire samenwerking onder leiding van Richard Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan het College of Engineering, heeft laten zien hoe verouderd en onnauwkeurig dat model is, vooral met betrekking tot complexe oxidesystemen. Door het model bij te werken om verschillende routes voor geleiding weer te geven, het team hoopt dat zijn werk onderzoekers zal helpen die de eigenschappen van metaaloxiden op maat maken in technologieën zoals lithium-ionbatterijen, brandstofcellen en elektrokatalyse.

hun papier, "Uitsplitsing van het kleine Polaron-hoppingmodel in spinels van hogere orde, " gepubliceerd op 21 oktober in Geavanceerde materialen . De hoofdauteur is promovendus Anuj Bhargava.

"Dit is de meest gebruikte formule in het veld, maar het was al 60 jaar niet meer aangeraakt. Dat is een groot probleem, want vandaag de dag, metaaloxiden worden in veel toepassingen gebruikt waar de prestaties direct worden beïnvloed door de geleidbaarheid, bijvoorbeeld, in energiesystemen zoals opslag en opwekking van elektrische energie, elektrokatalyse, en in materialen van de nieuwe generatie, Robinson zei. "Veel mensen doen momenteel veel experimentele inspanningen in oxiden, maar ze hebben niet zorgvuldig onderzocht hoe de ladingsdragers in het materiaal bewegen, en hoe de samenstelling die geleidbaarheid beïnvloedt.

Radicale samenwerking

"Als we zouden begrijpen hoe elektronen worden geleid en we de samenstelling zouden kunnen aanpassen om de hoogste geleidbaarheid te hebben, we zouden de energie-efficiëntie van veel materialen kunnen optimaliseren, " hij zei.

Om een ​​gedetailleerd beeld te krijgen van de manier waarop elektronen in metaaloxiden bewegen en hoe hun bezettingsplaatsen de geleidbaarheid van het materiaal kunnen beïnvloeden, Robinson wendde zich tot Darrell Schlom, de Herbert Fisk Johnson hoogleraar industriële chemie. Schlom en zijn team gebruikten het Platform voor de Versnelde Realisatie, Analyse, en Discovery of Interface Materials (PARADIM) en de Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) om dunne kristallijne films van met mangaan gedoteerd ijzeroxide (MnxFe3-xO4) te kweken en te karakteriseren.

Robinson's groep gebruikte vervolgens de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) om de atomaire locaties en de ladingstoestand van de positief geladen ionen te bepalen, genaamd kationen, en gemeten hoe de geleidbaarheid van het materiaal verandert bij verschillende temperaturen.

Ze brachten het materiaal naar Lena Kourkoutis, universitair hoofddocent toegepaste en technische fysica, die geavanceerde elektronenmicroscopie gebruikte om een ​​atomair nauwkeurig beeld te krijgen van het kristalsubstraat en de compositiegradiënten, en bevestigde de bevindingen van het team.

als laatste, Robinsons team raadpleegde onderzoekers van Technion—Israel Institute of Technology, die computationele methoden gebruikten om uit te leggen hoe polaronen anders in materialen springen op basis van de energiebarrières en oxidatietoestanden. Hun resultaten onthulden het bestaan ​​van grote energetische barrières die verband houden met het "schakelen" van geleidingspaden tussen de twee verschillende kationen, en dit leverde het cruciale sluitstuk op dat nodig was om een ​​nieuwe formule samen te stellen.

"Deze nieuwe bevinding geeft ons inzicht in iets dat over het hoofd is gezien. In plaats van het Edisoniaanse, trial-and-error benadering van het maken en testen van een heleboel nieuwe materialen, we kunnen nu op een meer systematische manier uitzoeken waarom de materialen zich anders gedragen, vooral op dit echt belangrijke niveau, dat is elektronische geleidbaarheid, Robinson zei. "De belangrijke processen in energiematerialen hebben betrekking op geleidbaarheid, elektronen die in en uit het materiaal komen. Dus voor elke toepassing met metaaloxiden, geleidbaarheid is belangrijk."