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论文编号 201405-378
论文题目 钇稳定氧化锆二维纳米薄膜室温庞氧离子电导特性研究
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Strain effect on colossal oxygen ionic conductivity in nanoscale zirconia electrolytes: A first-principles-based study

首发时间:2014-05-22

LI Feng 1   

LI Feng(1986-), Male, Doctor, Materials Science

LU Ruifeng 1    WU Haiping 1    KAN Erjun 1    XIAO Chuanyun 1   

XIAO Chuanyun(1963-), Male, professor, Materials Science

DENG Kaiming 1    Don E. Ellis 2   
  • 1、Department of Applied Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
  • 2、Department of Physics and Astronomy, Northwestern University, Evanston, IL 60208, USA

Abstract:Density functional theory calculations and first-principles molecular dynamics (MD) simulations have been performed to examine the strain effect on the colossal oxygen ionic conductivity in selected sandwich structures of zirconia electrolytes. For the KTaO3/YSZ/KTaO3 sandwich structure with 9.7% lattice mismatch, transition state calculations indicate that the strain effect changes the oxygen migration pathways from straight line into zigzag form and reduces the energy barrier by 0.2 eV. On the basis of our computational results, a possible oxygen ion diffusion highway is suggested. By finite-temperature MD simulations, an activation barrier of 0.33 eV is obtained, corresponding to an oxygen ionic conductivity which is 6.4×107 times higher than that of the unstrained bulk zirconia at 500 K. A nearly linear relationship is identified between the energy barrier and the lattice mismatch in the sandwich structures.

keywords: Materials science ionic conductivity zirconia electrolytes sandwich structures first-principles calucations

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钇稳定氧化锆二维纳米薄膜室温庞氧离子电导特性研究

李峰 1   

LI Feng(1986-), Male, Doctor, Materials Science

陆瑞锋 1    吴海平 1    阚二军 1    肖传云 1   

XIAO Chuanyun(1963-), Male, professor, Materials Science

邓开明 1    Don E. Ellis 2   
  • 1、南京理工大学理学院应用物理系,南京,210094
  • 2、美国西北大学物理天文系,美国,IL60208

摘要:采用第一性原理计算,研究了三明治结构中晶格失配应变与二维纳米薄膜室温庞氧离子电导现象之间的关系。对KTaO3/YSZ/KTaO3三明治结构而言,9.7 %的晶格失配应变改变了YSZ薄膜中氧离子的分布,使氧离子迁移路径从原先的直线型转变为折线型,同时氧离子的跃迁势垒降低了0.2 eV。过渡态搜索理论计算表明,由于结构应变的存在,YSZ薄膜中存在氧离子高速跃迁通道。FPMD计算表明,9.7 %晶格失配应变下YSZ薄膜中氧离子跃迁势垒为0.33 eV。与体相氧化锆相比,其氧离子电导率在500 K温度下提高了8个数量级。研究还发现,YSZ薄膜中氧离子跃迁势垒高度与晶格失配度之间呈近似线性关系。

关键词: 材料科学与工程 氧离子电导 氧化锆电解质 三明治结构 第一性原理计算

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LI Feng,LU Ruifeng,WU Haiping,et al. Strain effect on colossal oxygen ionic conductivity in nanoscale zirconia electrolytes: A first-principles-based study[EB/OL]. Beijing:Sciencepaper Online[2014-05-22]. http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201405-378.

No.4595461974142139****

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