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層狀氧化物準一維導電特性形成機理研究獲進展

作者:宋檢 時間:2022-11-30 來源:互聯網

近日,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室固體原子像研究部研究員陳春林、馬秀良,IBM蘇伊士實驗室教授、諾貝爾物理學獎獲得者Johannes Georg Bednorz,以及日本東京大學教授Yuichi Ikuhara等合作,在原子尺度上建立了準一維導電材料SrnNbnO3n+2的導電特性與其原子電子結構之間的相互關系,揭示了其準一維導電特性的形成機理。在此基礎上,提出了通過往三維導體中插入絕緣層來制備二維導電材料的研究思路。

SrnNbnO3n+2(i.e. SrNbOx)是具有層狀鈣鈦礦結構的一類氧化物,可通過往SrNbO3中引入過剩的氧而獲得。該類氧化物的結構和性能均對其氧含量和分布非常敏感,氧含量的多少決定了其層狀結構的片層厚度與導電特性。早在20多年前,Bednorz領導的研究團隊已認識到SrnNbnO3n+2的準一維導電特性(沿a軸方向的電導率遠遠大于其它晶體學取向),并對其形成機制進行了初步探討。然而,長期以來在原子尺度上揭示其準一維導電特性的起源仍是具有挑戰性的問題。

陳春林等利用掃描透射電子顯微術與**性原理理論計算相結合的方法,系統地研究了SrnNbnO3n+2(包括SrNbO3.4、SrNbO3.45及SrNbO3.5等化合物)的電學性質與其Nb離子價態及NbO6八面體形態之間的關系。電子能量損失譜的研究結果表明,SrnNbnO3n+2的導電性取決于Nb離子的價態:材料中含Nb4+離子的區域導電性能良好,而含Nb5+離子的區域不導電。過剩的氧聚集于SrnNbnO3n+2中片層間過渡的區域(文中的鋸齒狀區域),形成了一層絕緣層,從而使其導電特性呈現二維導電的特征。**性原理計算的結果進一步表明,Nb離子的價態與其NbO6八面體的形態直接關聯:Nb4+離子總是位于NbO6八面體的中心位置,而Nb5+離子總是遠遠地偏離該中心位置。SrnNbnO3n+2中材料局部區域的電學性質由其NbO6八面體的形態決定。該研究揭示了SrnNbnO3n+2中準一維導電特性的形成根源,并為設計和研發新型準一維導電材料提供了思路。目前,針對新型準一維導電材料的合作研發正在進行當中。

研究工作得到了中科院前沿科學重點研究項目和國家青年千人計劃等的資助。相關成果在線發表在ACS Nano上。

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