在晶界 (GB) 处形成的空间电荷层 (SCL) 被认为对多晶材料的特性（例如离子电导率）有至关重要的影响。尽管对这一问题进行了广泛的研究，但 GB SCL 的存在及其与 GB 取向、原子尺度结构和杂质/溶质偏析行为的关系仍然存在争议，这主要是因为难以直接观察 GB 处的电荷分布。在本研究中，我们通过倾斜扫描平均差分相衬扫描透射电子显微镜直接观察了定义明确的氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) GB 上的电场分布。我们的观察清楚地揭示了 YSZ GB 上存在纳米精度的 SCL，它们根据 GB 取向和由此产生的核心原子结构而显着变化。此外，SCL 的大小与钇偏析量呈强相关性。这项研究对 SCL、方向、原子结构和离子晶体中 GB 分离之间的复杂相互作用提供了重要的见解。
Fig. 1: Schematic illustration of electric field observation across a grain boundary (GB) using tDPC STEM.
Fig. 2: HAADF STEM images of four model YSZ grain boundaries fabricated by bicrystal method.
Fig. 3: Atomic-resolution STEM-EDS cation concentration maps of four model YSZ grain boundaries.
Fig. 4: Line profiles of cation concentration maps.
Fig. 5: Electric field maps and corresponding line profiles of∑5 grain boundaries (GBs) obtained by tDPC STEM.
Fig. 6: Schematic illustration of the electric field profiles and corresponding potential profiles across a grain boundary (GB) in YSZ.
Fig. 7: Horizontal-component electric field line profiles of four YSZ grain boundaries (GBs).
总而言之，作者使用 tDPC STEM 直接观察了四种不同 YSZ GB 上的电场分布。发现 SCL 是在 YSZ GB 处形成的，但其大小在很大程度上取决于它们的 GB 方向。此外，对于大多数 GB，SC 的数量和 Y 偏析量呈正相关，其中偏析主要受静电效应的影响。目前直接观察 SCL 的方法应该为从根本上理解许多氧化物材料和器件中 GB 方向、GB 核心原子结构、杂质/溶质偏析和 SCL 之间的复杂相互作用铺平道路。
Toyama, S., Seki, T., Feng, B. et al. Direct observation of space-charge-induced electric fields at oxide grain boundaries. Nat Commun 15, 8704 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53014-w
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53014-w#citeas
