Atoombeweging in een kristallijn oxide dat als kathode in Li-ionbatterijen werd gebruikt, werd direct aangetoond door ultramoderne transmissie-elektronenmicroscopie, het onthullen van de tijdelijke route van een chemische ordeningsreactie.

Zelfs als twee kristallijne systemen een identieke kristalstructuur hebben met dezelfde algehele samenstelling, hun fysieke eigenschappen kunnen aanzienlijk van elkaar verschillen, sterk afhankelijk van of de samengestelde atomen op een ordelijke manier zijn gerangschikt of niet. De identificatie en daaropvolgende controle van de chemische ordening in kristallijne systemen met meerdere componenten hebben, dus, de afgelopen decennia een van de centrale kwesties in de structurele chemie geweest. Een aantal binaire metaallegeringen dienen als prototypische voorbeelden die duidelijk aantonen hoe de mate van chemische orde de resulterende fysische eigenschappen beïnvloedt, zoals de elektrische weerstand, magnetische gevoeligheid, en plastisch vervormingsgedrag van kristallen. In aanvulling, veel opmerkelijke studies zijn zelfs uitgebreid tot de opheldering van lokale chemische ordening en visualisatie van antisite-uitwisselingswanorde op atomaire schaal voor betere katalytische prestaties en energieconversie / opslagefficiëntie.

De groep van prof. Sung-Yoon Chung in de Graduate School of EEWS (Energy, Omgeving, Water, en duurzaamheid) van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) heeft met succes aangetoond hoe de kationordening plaatsvindt in Li (Mn1.5Ni0.5)O4-spinel, dat een veelbelovend kathodemateriaal is voor hoogspannings-li-ionbatterijen. Om consequent een geïntegreerd geheel van experimenteel en theoretisch bewijs te leveren, gecombineerde technieken werden gebruikt, inclusief hoge-resolutie elektronenmicroscopie (HREM) en scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) voor directe waarnemingen op atomaire schaal, in situ beeldopname in STEM en hoge-temperatuur röntgenpoederdiffractie voor realtime onderzoeken, en dichtheid-functionele theorie (DFT) berekeningen voor kwantitatieve schatting van de energiebarrière tijdens het bestellen. Vooral, atomaire bewegingen tijdens de ordeningsovergang werden duidelijk in realtime vastgelegd in STEM.

Een elektronenstraal versneld met hoge spanning in TEM kan voldoende energie overbrengen naar een monster, en op basis hiervan deze benadering is goed gebruikt in recente in situ-onderzoeken voor realtime-waarnemingen met betrekking tot de fasetransformatie, kristal verruwing, en diffusie van atomen. In de huidige studie, om het atomaire verplaatsingsproces te induceren en vervolgens de vorming van puntdefecten in Li(Mn1.5Ni0.5)O4 te onderzoeken, een geïntensiveerde convergente elektronenbundel werd toegepast op smalle gebieden in een ongeordend kristal in STEM. Hoewel er geen structuurvariatie werd waargenomen tijdens het scannen met elektronen in de normale beeldvormingsmodus, dynamische fluctuatie in de kolomintensiteit tussen de octaëdrische plaatsen kon worden geïdentificeerd wanneer een elektronenbundel met een hogere stroom (> 50 pA) scande een beperkt gebied van 3 × 3 nm2.

De bevindingen in deze studie illustreren dat de snelheid waarmee de ordeningsovergang plaatsvindt sterk afhangt van hoe gemakkelijk de puntdefecten in het rooster kunnen worden geïnduceerd. Naast het ophelderen van de kinetische route voor het bestellen van transformatie, de huidige studie benadrukt dat de rol van puntdefecten in kristallen niet alleen beperkt is tot massa- en ladingstransport in het algemeen, maar zich zelfs uitstrekt tot faseovergangen, waar deze defecten fungeren als een kritische bemiddelaar tussen twee fasen.

Dit werk is gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie (2015, 54, 7963-7967) en werd geselecteerd als Inside Back Cover van het nummer vanwege het belang van directe observatie in dit snel evoluerende gebied van hoge interesse.