在ThO?中，沿着相干Σ3晶界的离子导电性表现出异常现象

《Scripta Materialia》：Anomalous ionic conductivity along the coherent Σ3 grain boundary in ThO 2

氧离子电导率、晶界扩散机制、集体扩散、超离子态、晶界工程

　　

金淼淼|苗吉朗|马拉特·哈菲佐夫|陈北瀚|张永峰|大卫·H·赫利

美国宾夕法尼亚州立大学核工程系，大学公园，16802 PA，美国

摘要

理解氧原子沿晶界（GBs）的扩散行为对于控制氧化物陶瓷的离子导电性至关重要。通常认为，晶界由于结构无序和自由体积增加而增强了离子传输。在这项研究中，我们发现了一个意外现象：尽管二氧化钍（ThO₂）的晶界结构较为紧密且连贯，但其$\Sigma 3\left(111\right)$晶界的氧离子导电性却显著高于其他更开放的晶界（例如Σ19晶界）。通过原子级模拟，我们发现Σ3晶界的高导电性源于一种集体扩散机制，这种机制涉及高度相关的原子运动，类似于超离子态。相比之下，Σ19晶界遵循传统的管道扩散模式，这与其更开放的结构一致。这一对比表明，特定的结构特征可以促进集体传输，从而提高晶界的导电性。这些发现为设计具有目标离子传输特性的晶界工程氧化物提供了新的指导，以应用于能源领域。

章节摘录

作者贡献声明

金淼淼：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，实验研究。苗吉朗：撰写——审阅与编辑，实验研究。马拉特·哈菲佐夫：撰写——审阅与编辑。陈北瀚：撰写——审阅与编辑。张永峰：撰写——审阅与编辑。大卫·H·赫利：撰写——审阅与编辑，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。

致谢

苗J.由宾夕法尼亚州立大学资助。其他合作者由美国能源部科学办公室下属的热能传输与辐照中心支持，该中心是美国基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心。