二氧化铈电-空间取代化学的原子尺度洞察
材料科学
2021-02-12 v1
摘要
二氧化铈（铈氧化物，CeO2）是最具前景的混合型离子与电子导电材料之一。此前的原子尺度分析广泛涵盖了取代对氧空位迁移的影响。然而，对三价阳离子以外阳离子取代作用的深入分析鲜有探索。本文中，我们研究可溶的一价、二价、三价与四价阳离子取代体。通过结合经典模拟与量子力学计算，我们深入揭示了取代阳离子与氧空位之间的缺陷缔合能及其对扩散机制的影响。我们的模拟表明，亚价阳离子取代体系的氧离子扩散率遵循 Gd>Ca>Na 的顺序。在相同电荷下，与 Ce 阳离子更大的尺寸失配导致更低的氧离子扩散率，即 Na>K、Ca>Ni、Gd>Al。基于这些趋势，我们确定了可调控氧离子扩散率的物种：我们估计在 800 K 下，GdxCe1-xO2-x/2、CaxCe1-xO2-x 与 NaxCe1-xO2-3x/2 实现快速氧离子输运的最佳氧空位浓度均为 2.5%。值得注意的是，该浓度并非恒定，并随温度升高逐渐移向更高值。我们发现共取代可增强单一取代的影响，超出其简单加和预期。此外，我们确定了优先氧离子迁移路径，阐明了取代阳离子在决定氧离子迁移能垒中的电-空间效应。此类对支配氧扩散系数与迁移能因素的基础洞察，将能为界定调控材料离子特性（例如通过共掺杂）的设计准则提供依据。
引用
@article{arxiv.2102.05702,
title = {Atomic-scale insights into electro-steric substitutional chemistry of cerium oxide},
author = {Haiwu Zhang and Ivano E. Castelli and Simone Santucci and Simone Sanna and Nini Pryds and Vincenzo Esposito},
journal= {arXiv preprint arXiv:2102.05702},
year = {2021}
}