通过定向声子激发增强离子扩散

离子扩散在多种应用中十分重要，然而对固体中扩散过程的基本理解仍然欠缺，尤其是在考虑晶格振动（声子）与迁移物种相互作用时。本工作中，我们引入两种形式体系，基于（i）微动弹性带（NEB）计算和（ii）分子动力学（MD）模拟，来确定振动简正模（声子）对离子在固体中扩散的各自贡献。对一个模型离子导体 $\rm{Ge}$ 取代的 $\rm{Li_3PO_4}$（$\rm{Li_{3.042}Ge_{0.042}P_{0.958}O_4}$）的结果表明，晶格中超过 87% 的 $\rm{Li^+}$ 离子扩散源自频率在 8 至 20 THz 之间、占比小于 10% 的振动模子集。通过有意地将其中贡献模的一小部分（小于 1%）激发到较高温度，同时保持晶格处于低温，我们观察到扩散率提高了数个数量级，这与将整个材料（即所有模）激发到相同高温时所观察到的结果一致。这一观察表明，不必将整个材料加热到高温来提高扩散率，而只需将贡献于扩散、或更一般地贡献于反应/转变路径的模激发到高温。这一新认识指出了通过调控材料中的振动、和/或通过外部刺激/声子激发（例如经由光子或其他相互作用）在不改变化合物化学组成的情况下提高扩散率的新途径。