Proton dynamics of proton-conducting solid electrolytes revealed with ultrafast spectroscopy

用超快光谱揭示质子传导固体电解质的质子动力学

基本信息

批准号：
21H01015
负责人：
永井正也
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

まず様々なドーパントを添加したジルコン酸バリウム焼結体を加水してプロトンドープし、中赤外領域の透過測定を行いました。その結果水酸基の伸縮振動に由来した吸収がドーパントに依存して3000 cm-1から3500 cm-1に広いスペクトル幅で現れることを見出しました。これは類似物質で既に報告されており、本研究の主となる中赤外ポンプテラヘルツプローブ分光の有効性を強く裏付ける結果です。そこで研究グループ内で既に整備されているテラヘルツ分光装置に高強度の中赤外光を入射できる実験系を新たに構築しました。また同じ物質でジルコン酸バリウムの紫外光照射発光の温度、ドーパント、加水量、グレインサイズ依存性を系統的に測定し、酸素欠損に由来する発光がドーパントの影響を強く受けることを見出しました。光励起発光スペクトル測定は固体物理では欠陥を調べる手法として一般的ですが、プロトン伝導に由来する欠陥近傍の局所構造も見出すことができる新しい手法であることを初めて実証しました。また、本研究の出発点である酸素伝導型固体電解質安定化ジルコニアと同じ結晶構造を持つ酸化セリウムにおいて、雰囲気ガス制御下でテラヘルツ分光を行い、酸素のホッピング伝導の試行運動の非線形に応じてテラヘルツ領域の伝導度が大きく変わることを見出しました。この振る舞いは酸素イオンのホッピングにおけるポテンシャル障壁で解釈することができます。この結果は、テラヘルツ分光が酸素伝導性固体電解質のイオン伝導のメカニズム解明において有用なツールであることを明らかにしました。

首先，在含有各种掺杂剂的锆酸钡烧结体中掺杂水和质子，并进行中红外区域的透射测量。结果，我们发现源自羟基伸缩振动的吸收出现在 3000 cm-1 至 3500 cm-1 的宽光谱宽度中，具体取决于掺杂剂。这已经在类似物质中得到报道，并且这一结果有力地支持了中红外泵浦太赫兹探针光谱的有效性，这是本研究的主要焦点。因此，我们构建了一个新的实验系统，可以将高强度中红外光注入到我们研究组已有的太赫兹光谱仪中。我们还使用相同材料系统地测量了锆酸钡的紫外光发射的温度、掺杂剂、添加水量和晶粒尺寸依赖性，并发现源自氧空位的光发射受掺杂剂的强烈影响。光激发发射光谱测量是研究固体物理缺陷的常用方法，但我们首次证明这是一种新方法，还可以发现质子传导引起的缺陷附近的局部结构。此外，我们在大气气体控制下对氧化铈进行了太赫兹光谱分析，它与氧导电固体电解质稳定氧化锆具有相同的晶体结构，这是本研究的起点，并确定了太赫兹的电导率该地区发生显着变化。这种行为可以解释为氧离子跳跃的势垒。这些结果表明，太赫兹光谱是阐明氧传导固体电解质中离子传导机制的有用工具。

项目成果

期刊论文数量（7）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

光励起発光測定によるBaZr1-xYxO3-δの酸素欠損周辺の構造評価

通过光激发发光测量评价 BaZr1-xYxO3-δ 中氧空位周围的结构

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
竹原輝; 永井正也; 芦田昌明; 奥山勇治; 可児幸宗
通讯作者：
可児幸宗

超短光パルスレーザー励起型高強度テラヘルツパルス発生技術の進展

超短光脉冲激光激发高强度太赫兹脉冲产生技术进展

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
永井正也
通讯作者：
永井正也

Evaluation of the Oxygen Migration Energy in Doped Ceria by Terahertz Spectroscopy

太赫兹光谱评估掺杂二氧化铈中的氧迁移能

DOI：
10.1103/physrevapplied.16.064069
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
4.6
作者：
M. Nagai; Y. Furutani; H. Takehara; T. Morimoto; M. Ashida; Y. Okuyama;Y. Kani
通讯作者：
Y. Kani

光励起発光測定によるジルコン酸バリウムの酸素欠損周辺の欠陥評価

使用光激发发光测量评估锆酸钡中氧空位周围的缺陷