物理系于浦研究组在离子液体诱导材料质子化方面取得研究进展

2019年3月04日

物理系于浦教授和段文晖教授研究团队在“Advanced Materials”杂志在线发表了题为《高温下电场诱导质子化对于NiCo2O4薄膜电磁特性的调节》的研究论文。(“Manipulate the Electronic and Magnetic States in NiCo2O4 Films through Electric-Field Induced Protonation at Elevated Temperature”)该工作以具有反尖晶石结构的NiCo2O4作为模型体系,揭示了电场作用下离子液体诱导材料质子化效应的机理,首次提出了利用提高环境温度的方法增强质子化效果,并展示了对该材料中光学、电学和磁学性能的丰富调控;对于新材料新性能的设计开发,具有重大参考意义。

于浦课题组2017年在国际上率先基于离子液体门电压调控实现了固体氧化物中氧离子和氢离子(质子)的双离子调控。在过去的两年中该方向的研究引起了国际上的广泛关注,并被拓展到金属绝缘体相变,超导调控等一系列重要的物性调控当中,从而发展成为一种全新的物性调控思路和研究策略。尤其是质子作为自然界最小最轻的离子,以及其在嵌入材料中伴随的显著电子掺杂效应,都预示着其可能提供了一种普适的拓展材料相图的研究手段;此外质子化材料在氢能存储、燃料电池等工业领域有重大应用价值。然而目前,对于材料质子化过程的具体机理还不是很清楚,能够实现质子化的体系也仍然有限。

在本工作中,该研究团队以具有反尖晶石结构的NiCo2O4作为模型体系,发现,在室温时离子液体电场调控下薄膜的质子化效应很差,质子嵌入只局限在材料表面几层;而当提高环境温度到100℃后,质子化效应将被急剧增强。结合伏安曲线和原位晶体结构分析,他们发现环境温度的提升显著降低了质子从表面向下扩散的势垒,提高了扩散速率。这种高温增强效应深化了人们对于电场调控质子化的认识,对于在很多不同体系中拓展应用范围具有重大启发意义。同时,基于该材料,他们还演示了电场诱导的质子化过程(即NiCo2O4到H2NiCo2O4相变过程),材料中光学、磁学、电学性能的显著调控现象,并进一步借助第一性原理计算,深化了对于质子化过程中H2NiCo2O4相能带和磁结构的深入理论认识,提出了尖晶石材料的质子化研究的新方向。

图1. (a)离子液体电场调控下质子嵌入材料示意图, (b)质子演化过程诱导的NiCo2O4薄膜光学性质变化,(c)质子演化过程诱导的NiCo2O4薄膜磁性相变

 

清华大学物理系于浦教授和段文晖教授为该文章的共同通讯作者。物理系博士生王猛、博士后隋雪蕾、博士生王宇佳为该文章共同第一作者。该论文得到了台湾国立交通大学朱英豪教授,英国杜伦大学何清教授,美国劳伦兹伯克利国家实验室的Elke Arenholz博士的支持与合作。该工作得到了自然科学基金委、科技部、低维量子物理国家重点实验室和北京未来芯片技术高精尖创新中心的支持。

 

文章链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900458