Som isolatorer, metalloxider - även kända som keramik - kanske inte verkar vara självklara kandidater för elektrisk konduktivitet. Medan elektroner zip fram och tillbaka i vanliga metaller, deras rörelse i keramiska material är trög och svår att upptäcka.

Ett tvärvetenskapligt samarbete som leds av Richard Robinson uppdaterade den "lilla polaronhoppningsmodellen" för att återspegla olika vägar för ledning i keramik. Deras arbete kommer att hjälpa forskare som skräddarsyr egenskaperna hos metalloxider inom teknik som litiumjonbatterier, bränsleceller och elektrokatalys.

Men keramik innehåller ett stort antal konduktiviteter. Detta beteende lades fram 1961 i den "lilla polaronhoppningsmodellen, "som beskrev rörelsen av polaroner - i huvudsak elektroner kopplade till en gitterförvrängning - från ena änden av ett material till den andra.

Ett tvärvetenskapligt samarbete som leds av Richard Robinson, docent i materialvetenskap och teknik vid tekniska högskolan, har visat hur föråldrad och felaktig den modellen är, särskilt när det gäller komplexa oxidsystem. Genom att uppdatera modellen för att återspegla olika vägar för ledning, teamet hoppas att arbetet kommer att hjälpa forskare som skräddarsyr metalloxiders egenskaper i tekniker som litiumjonbatterier, bränsleceller och elektrokatalys.

Deras papper, "Fördelning av Small-Polaron Hopping-modellen i högre ordningsspinnels, "publicerad 21 oktober Avancerade material . Huvudförfattaren är doktoranden Anuj Bhargava.

"Detta är den vanligaste formeln inom området, men den hade inte rörts på 60 år. Det är en stor sak eftersom, Nu för tiden, metalloxider används i många applikationer där prestandan direkt påverkas av konduktiviteten - t.ex. i energisystem som elektrisk energilagring och produktion, elektrokatalys, och i nya generationens material, "Robinson sa." Många människor lägger en stor mängd experimentella ansträngningar på oxider just nu, men de har inte noggrant undersökt hur laddningsbärarna rör sig i materialet, och hur kompositionen påverkar den konduktiviteten.

Radikalt samarbete

"Om vi ​​förstod hur elektroner ledes och vi kunde anpassa kompositionen för att ha den högsta konduktiviteten, vi kan optimera energieffektiviteten för många material där ute, " han sa.

För att få en detaljerad titt på hur elektroner rör sig i metalloxider och hur deras upptagningsplatser kan påverka materialets konduktivitet, Robinson vände sig till Darrell Schlom, Herbert Fisk Johnson professor i industriell kemi. Schlom och hans team använde plattformen för accelererad realisering, Analys, och Discovery of Interface Material (PARADIM) och Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) för att växa och karakterisera tunna kristallina filmer av mangandopad järnoxid (MnxFe3-xO4).

Robinsons grupp använde sedan Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) för att bestämma atomplatserna och laddningstillståndet för de positivt laddade jonerna, kallas katjoner, och mätte hur materialets konduktivitet förändras vid olika temperaturer.

De tog med materialet till Lena Kourkoutis, docent i tillämpad och teknisk fysik, som använde avancerad elektronmikroskopi för att få en atomiskt exakt bild av kristallens substrat och kompositionsgradienter, och bekräftade teamets resultat.

Slutligen, Robinsons team rådfrågade forskare vid Technion — Israel Institute of Technology, som använde beräkningsmetoder för att förklara hur polaroner hoppar annorlunda i material baserat på energibarriärer och oxidationstillstånd. Deras resultat avslöjade förekomsten av stora energiska hinder som är förknippade med att "byta" ledningsvägar mellan de två olika katjonerna, och detta gav den avgörande sista biten som var nödvändig för att sätta ihop en ny formel.

"Detta nya fynd ger oss inblick i något som har förbises. Istället för Edisonian, försök-och-fel-tillvägagångssätt för att bara göra och testa ett gäng nya material, vi kan nu ta ett mer systematiskt tillvägagångssätt för att ta reda på varför materialen beter sig annorlunda, särskilt på denna riktigt viktiga nivå, som är elektronisk konduktivitet, "Robinson sa." De viktiga processerna i energimaterial innefattar konduktivitet, elektroner som kommer in och ut ur materialet. Så för alla applikationer med metalloxider, konduktivitet är viktigt. "