東京工業(yè)大學(xué)的研究人員在無序Ba中發(fā)現(xiàn)了Mo和Nb原子的隱藏化學(xué)順序7鈮4哞20，通過結(jié)合最先進(jìn)的技術(shù)，包括共振X射線衍射和固態(tài)核磁共振。這項(xiàng)研究為材料的性能(如離子傳導(dǎo))如何受到其隱藏的化學(xué)順序的嚴(yán)重影響提供了寶貴的見解。這些結(jié)果將刺激材料科學(xué)和工程的重大進(jìn)展。
確定結(jié)晶固體的精確結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。材料特性，如離子傳導(dǎo)和化學(xué)穩(wěn)定性，受到化學(xué)(職業(yè))秩序和無序的嚴(yán)重影響。然而，科學(xué)家通常用于闡明未知晶體結(jié)構(gòu)的技術(shù)受到嚴(yán)重限制。
例如，X射線和中子衍射方法是揭示晶格中原子位置和排列的強(qiáng)大技術(shù)。然而，它們可能不足以區(qū)分具有相似X射線散射因子和相似中子散射長(zhǎng)度的不同原子物種。
為了解決這個(gè)問題，由日本東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)的矢島正友教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組試圖開發(fā)一種新穎且更強(qiáng)大的方法來分析晶體的順序和無序。他們結(jié)合了四種不同的技術(shù)來分析重要的離子導(dǎo)體Ba7鈮4哞20.
“我們選擇了巴7鈮4哞20飾 巴7鈮4哞20基于氧化物和相關(guān)化合物是一類具有高離子傳導(dǎo)和高化學(xué)穩(wěn)定性等有趣特性的新興材料，“矢島教授解釋說。“然而，鑒于莫·6+和 Nb5+陽離子具有相似的散射能力，所有結(jié)構(gòu)分析的Ba7鈮4哞20到目前為止，已經(jīng)假設(shè)完全Mo / Nb紊亂。
正如他們最近發(fā)表在Nature Communications上的論文中所描述的那樣，研究人員使用了一種結(jié)合了兩種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的方法，共振X射線衍射(RXRD)和固態(tài)核磁共振(NMR)，并輔以基于密度泛函理論(DFT)的計(jì)算計(jì)算。核磁共振提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明Mo原子僅占據(jù)Ba 7鈮4哞20，表示Mo原子的化學(xué)順序。
接下來，研究人員使用RXRD來量化Mo和Nb原子的占用因子。他們發(fā)現(xiàn)Mo原子在M0位點(diǎn)的占用因子為5.2，但在所有其他位點(diǎn)為零。有趣的是，M2位點(diǎn)靠近Ba 的氧離子傳導(dǎo)缺氧層7鈮4哞20.這表明M2位點(diǎn)的Mo原子在Ba的高離子傳導(dǎo)中具有關(guān)鍵作用。7鈮4哞20.此外，DFT計(jì)算表明，Mo有序穩(wěn)定了表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率的Mo過量組成。質(zhì)子和氧化物離子的位置、占用和原子位移也通過中子衍射確定。
“我們的結(jié)果表明，Mo順序會(huì)影響B(tài)a的材料性能。7鈮4哞20“矢島教授說。“在這方面，我們的工作代表了我們對(duì)晶體結(jié)構(gòu)與離子導(dǎo)體材料特性之間相關(guān)性的理解的重大進(jìn)展。此外，與單晶X射線和中子衍射相比，所提出的方法甚至可以擴(kuò)展到其他多晶和粉末樣品。
總體而言，本研究中提出的方法可以為深入分析材料中的化學(xué)順序/無序開辟新的途徑。反過來，這可能導(dǎo)致物理，化學(xué)和材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。
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