薄膜材料离子电输运行为研究获进展

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纳米离子学是指研究固体中在纳米尺度内离子迁移的现象，以及与之相关的性质、效应、机制和应用的一门新型学科，锂离子电池、燃料电池、超级电容器以及离子型阻变存储器（ionic memory）等都与纳米离子学密切相关。目前人们对纳米离子学的关注热点主要集中在氧化物材料、离子导体以及材料界面处的离子输运行为和相关性质的研究。研究纳米尺度下离子的输运行为对发展纳米离子型器件，探索新奇物理效应有重要的意义。

中科院宁波材料所李润伟研究团队近几年来在薄膜材料中的离子电输运行为研究方面取得了一系列进展。首先，该研究小组在Nb/ZnO/Pt和ITO/ZnO/ITO三明治薄膜结构中，通过外加电场的方法控制铌离子和氧离子的输运从而构建了原子尺度的量子点接触结构并在室温下获得了量子电导行为（Adv. Mater., 24, 3941-3946 (2012)) 。随后该研究小组采用质子酸掺杂的聚西佛碱（PA-TsOH）作为研究对象，通过电场调控质子酸离子在聚西佛碱主链的掺杂程度，精确的调控了材料的电阻状态，最终获得具有高一致性阻变行为以及多态、自整流特性的阻变器件（JACS, 134, 17408-17411 (2012)) 。

最近，该研究团队制备了具有稳定阻变性能的Pt/LixCoO2/Pt三明治结构薄膜器件，证实了器件阻变行为与电场作用下锂离子的迁移密切相关，并且器件的电阻状态与薄膜中的锂浓度相对应。随后，研究人员采用导电原子力显微镜（C-AFM）在纳米尺度下（~10 nm）研究了电场作用下LixCoO2薄膜局域导电性能的变化过程，发现在LixCoO2晶粒中靠近晶界处的锂离子比远离晶界处（晶粒内部）的锂离子更加容易在电场作用下发生迁移，并且给出了晶粒大小与临界迁移电压的半定量关系。第一性原理计算结果表明晶界位置处锂离子的迁移势垒高度仅为0.7eV，远小于晶粒内部的锂离子的迁移势垒高度（6.8eV），与实验结果基本一致。此外，他们的研究结果表明在相同电压下小尺寸的LixCoO2晶粒中的锂离子更加容易脱嵌，并且具有更快的迁移速度。该研究发现为理解纳米尺度范围内电场作用下离子输运行为，研发高性能锂离子电池以及发展纳米离子型器件具有非常重要的意义。

相关结果被发表在Nature旗下的Scientific Reports. (3, 1084 2013)。该研究工作获得国家973子课题、国家自然科学基金和中科院百人计划等项目的支持。