Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo et des collaborateurs ont montré la liaison excessive des oxygènes des canaux dans les silicates de lanthane de type apatite riches en La, plutôt que la présence des oxygènes interstitiels, être responsable de la conductivité élevée des ions oxyde. Ce concept de "haute conductivité oxyde-ion par overbonding" ouvre la porte à la conception de meilleurs conducteurs ioniques, qui pourrait être utile dans la conversion d'énergie et la protection de l'environnement.

Les électrolytes à oxyde solide ont été largement étudiés en raison de leur large éventail d'applications dans les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), membranes à oxygène, catalyseurs, et capteurs de gaz. Des électrolytes avec une conductivité oxyde-ionique élevée à des températures inférieures à 600 degrés C sont nécessaires pour diminuer la température de fonctionnement des SOFC. Professeur Susumu Nakayama à l'Institut national de technologie, Niihama College a découvert en 1995 la conductivité oxyde-ion extrêmement élevée dans la plage de température intermédiaire inférieure à 600°C, ce qui a incité de nombreux chercheurs à étudier l'origine structurelle de ce phénomène.

On pensait que la conductivité élevée des ions oxydes des matériaux de type apatite était due aux oxygènes interstitiels. Cependant, dans cette nouvelle étude, Professeur Masatomo Yashima, Dr Kotaro Fujii à l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), et leurs collègues ont montré que les matériaux de type apatite contiennent des lacunes de Si, mais pas les interstitiels d'oxygène. Les vacances de Si dans les matériaux ont été proposées à l'origine par le professeur Koichiro Fukuda de l'Institut de technologie de Nagoya.

Par des études de diffraction des neutrons sur monocristal à l'aide du diffractomètre SENJU installé à la MLF, Installation J-PARC (Figure 1), ils ont pu déterminer avec précision les structures cristallines des matériaux d'apatite La 9.333 Si 6 O 26 et La-riche La 9.565 (Si 5.826□0.174 )O 26 (□ désigne la vacance Si) y compris les facteurs d'occupation, paramètres de déplacement atomique, et les distributions spatiales des atomes d'oxygène. Ils ont également mesuré la densité et la conductivité oxyde-ion des deux matériaux. Dans ce travail, La 9.565 (Si 5.826□0.174 )O 26 a été choisi en raison de sa haute conductivité oxyde-ion.

Par des analyses de structure utilisant les données de diffraction, les chercheurs ont trouvé des postes vacants de Si, pas d'oxygène interstitiel, et un plus grand désordre de position de l'ion oxyde à l'O 4 site dans le canal d'apatite par rapport au matériau de base La 9.333 Si 6 O 26 (Figure 2). L'énergie d'activation plus faible pour la conduction oxyde-ion le long de l'axe c s'est avérée être la principale raison de la conductivité oxyde-ion plus élevée de La 9.565 (Si 5.826□0.174 )O26 par rapport à La 9.333 Si 6 O 26 . L'excès de La a donné lieu à l'overbonding de l'O 4 ion oxyde dans La 9.565 (Si 5.826□0.174 )O 26 par rapport à La 9.333 Si 6 O 26 , ce qui a conduit à une mobilité et une conductivité plus élevées des ions oxydes de La 9.565 (Si 5.826□0.174 )O 26 avec des lacunes de Si (Figure 2). Les mesures de densité par la méthode d'Archimède ont confirmé la présence de lacunes de Si dans La 9.565 (Si 5.826□0.174 )O 26 .

Ainsi, les chercheurs ont proposé que les cations La en excès sont responsables des oxygènes des canaux surliés le long de l'axe c, ce qui conduit à un déplacement atomique hautement anisotrope et à une mobilité élevée de l'oxygène. Par conséquent, ce nouveau concept de « conductivité élevée d'ions oxyde par liaison excessive » peut être utile pour concevoir de meilleurs conducteurs ioniques.