En tant qu'isolants, les oxydes métalliques, également appelés céramiques, peuvent ne pas sembler être des candidats évidents pour la conductivité électrique. Alors que les électrons vont et viennent dans les métaux ordinaires, leur mouvement dans les matériaux céramiques est lent et difficile à détecter.

Une collaboration interdisciplinaire dirigée par Richard Robinson a mis à jour le « petit modèle de saut de polaron » pour refléter les différentes voies de conduction en céramique. Leurs travaux aideront les chercheurs qui adaptent sur mesure les propriétés des oxydes métalliques dans des technologies telles que les batteries lithium-ion, piles à combustible et électrocatalyse.

Mais la céramique contient une large gamme de conductivités. Ce comportement a été présenté en 1961 dans le "petit modèle de saut de polaron, " qui décrivait le mouvement des polarons - essentiellement des électrons couplés à une distorsion de réseau - d'une extrémité d'un matériau à l'autre.

Une collaboration interdisciplinaire dirigée par Richard Robinson, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au Collège d'ingénierie, a montré à quel point ce modèle est obsolète et inexact, en particulier en ce qui concerne les systèmes d'oxydes complexes. En mettant à jour le modèle pour refléter les différentes voies de conduction, l'équipe espère que ses travaux aideront les chercheurs qui adaptent les propriétés des oxydes métalliques dans des technologies telles que les batteries lithium-ion, piles à combustible et électrocatalyse.

Leur papier, "Répartition du modèle de houblonnage du petit Polaron dans les spinelles d'ordre supérieur, " publié le 21 octobre dans Matériaux avancés . L'auteur principal est le doctorant Anuj Bhargava.

"C'est la formule la plus utilisée dans le domaine, mais il n'avait pas été touché depuis 60 ans. C'est un gros problème parce que, de nos jours, les oxydes métalliques sont utilisés dans de nombreuses applications où les performances sont directement affectées par la conductivité, par exemple, dans les systèmes énergétiques comme le stockage et la production d'énergie électrique, électrocatalyse, et dans les matériaux de nouvelle génération, ", a déclaré Robinson. "Beaucoup de gens mettent actuellement beaucoup d'efforts expérimentaux sur les oxydes, mais ils n'ont pas soigneusement examiné comment les porteurs de charge se déplacent dans le matériau, et comment la composition influence cette conductivité.

Collaboration radicale

"Si nous comprenions comment les électrons sont conduits et que nous pouvions personnaliser la composition pour avoir la conductivité la plus élevée, nous pourrions optimiser l'efficacité énergétique de nombreux matériaux, " il a dit.

Pour avoir un aperçu détaillé de la façon dont les électrons se déplacent dans les oxydes métalliques et comment leurs sites d'occupation peuvent affecter la conductivité du matériau, Robinson se tourna vers Darrell Schlom, le professeur Herbert Fisk Johnson de chimie industrielle. Schlom et son équipe ont utilisé la plate-forme pour la réalisation accélérée, Une analyse, et Discovery of Interface Materials (PARADIM) et le Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) pour développer et caractériser des films cristallins minces d'oxyde de fer dopé au manganèse (MnxFe3-xO4).

Le groupe de Robinson a ensuite utilisé la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) pour déterminer les emplacements atomiques et l'état de charge des ions chargés positivement, appelés cations, et mesuré comment la conductivité du matériau change à différentes températures.

Ils ont apporté le matériel à Lena Kourkoutis, professeur agrégé en physique appliquée et de l'ingénierie, qui a utilisé la microscopie électronique avancée pour obtenir une vue atomiquement précise du substrat du cristal et des gradients de composition, et a confirmé les conclusions de l'équipe.

Dernièrement, L'équipe de Robinson a consulté des chercheurs du Technion—Israel Institute of Technology, qui a utilisé des méthodes de calcul pour expliquer comment les polarons sautent différemment dans les matériaux en fonction des barrières énergétiques et des états d'oxydation. Leurs résultats ont révélé l'existence de grandes barrières énergétiques associées à des chemins de conduction « commutants » entre les deux cations différents, et cela a fourni la pièce finale cruciale qui était nécessaire pour mettre en place une nouvelle formule.

"Cette nouvelle découverte nous donne un aperçu de quelque chose qui a été négligé. Au lieu de l'Edisonian, approche par essais et erreurs consistant à fabriquer et à tester un tas de nouveaux matériaux, nous pouvons maintenant adopter une approche plus systématique pour déterminer pourquoi les matériaux se comportent différemment, surtout à ce niveau vraiment important, qui est la conductivité électronique, " a déclaré Robinson. " Les processus importants dans les matériaux énergétiques impliquent la conductivité, électrons entrant et sortant du matériau. Donc pour toute application avec des oxydes métalliques, la conductivité est importante."