(b) 施加不同大小掃描電壓后LixCoO2晶粒中鋰濃度分布與位置的關(guān)系
(c) 不同恒定電壓下Lix>CoO2晶粒中不同位置處電流與時(shí)間的變化關(guān)
(d) 鋰離子沿晶界輸運(yùn)第一性原理計(jì)算模型
納米離子學(xué)是指研究固體中在納米尺度內(nèi)離子遷移的現(xiàn)象，以及與之相關(guān)的性質(zhì)、效應(yīng)、機(jī)制和應(yīng)用的一門新型學(xué)科，鋰離子電池、燃料電池、超級電容器以及離子型阻變存儲器（ionic memory）等都與納米離子學(xué)密切相關(guān)。目前人們對納米離子學(xué)的關(guān)注熱點(diǎn)主要集中在氧化物材料、離子導(dǎo)體以及材料界面處的離子輸運(yùn)行為和相關(guān)性質(zhì)的研究。研究納米尺度下離子的輸運(yùn)行為對發(fā)展納米離子型器件，探索新奇物理效應(yīng)有重要的意義。
中科院寧波材料所李潤偉研究團(tuán)隊(duì)近幾年來在薄膜材料中的離子電輸運(yùn)行為研究方面取得了一系列進(jìn)展。首先，該研究小組在Nb/ZnO/Pt和ITO/ZnO/ITO三明治薄膜結(jié)構(gòu)中，通過外加電場的方法控制鈮離子和氧離子的輸運(yùn)從而構(gòu)建了原子尺度的量子點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)并在室溫下獲得了量子電導(dǎo)行為（Adv. Mater., 24, 3941-3946 (2012)) 。隨后該研究小組采用質(zhì)子酸摻雜的聚西佛堿（PA-TsOH）作為研究對象，通過電場調(diào)控質(zhì)子酸離子在聚西佛堿主鏈的摻雜程度，精確的調(diào)控了材料的電阻狀態(tài)，最終獲得具有高一致性阻變行為以及多態(tài)、自整流特性的阻變器件（JACS, 134, 17408-17411 (2012)) 。
最近，該研究團(tuán)隊(duì)制備了具有穩(wěn)定阻變性能的Pt/LixCoO2/Pt三明治結(jié)構(gòu)薄膜器件，證實(shí)了器件阻變行為與電場作用下鋰離子的遷移密切相關(guān)，并且器件的電阻狀態(tài)與薄膜中的鋰濃度相對應(yīng)。隨后，研究人員采用導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）在納米尺度下（~10 nm）研究了電場作用下LixCoO2薄膜局域?qū)щ娦阅艿淖兓^程，發(fā)現(xiàn)在LixCoO2晶粒中靠近晶界處的鋰離子比遠(yuǎn)離晶界處（晶粒內(nèi)部）的鋰離子更加容易在電場作用下發(fā)生遷移，并且給出了晶粒大小與臨界遷移電壓的半定量關(guān)系。第一性原理計(jì)算結(jié)果表明晶界位置處鋰離子的遷移勢壘高度僅為0.7eV，遠(yuǎn)小于晶粒內(nèi)部的鋰離子的遷移勢壘高度（6.8eV），與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。此外，他們的研究結(jié)果表明在相同電壓下小尺寸的LixCoO2晶粒中的鋰離子更加容易脫嵌，并且具有更快的遷移速度。該研究發(fā)現(xiàn)為理解納米尺度范圍內(nèi)電場作用下離子輸運(yùn)行為，研發(fā)高性能鋰離子電池以及發(fā)展納米離子型器件具有非常重要的意義。
相關(guān)結(jié)果被發(fā)表在Nature旗下的Scientific Reports. (3, 1084 2013)。該研究工作獲得國家973子課題、國家自然科學(xué)基金和中科院百人計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。 （來源：中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所）
