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对陶瓷材料的新理解可能会揭示改善太阳能电池

更新时间:2020-07-05 23:51点击:

当大多数人想到陶瓷时,他们可能会想到他们最喜欢的杯子或花盆。但是现代技术充满了先进的陶瓷,从硅太阳能电池板到陶瓷超导体和生物医学植入物。

许多先进的多晶陶瓷是由晶体颗粒组成的,在微观层面上,就像用石灰石砂浆粘在一起的石头栅栏。和栅栏一样,陶瓷的强度是由砂浆的强度决定的。在陶瓷中是晶界,或者是不同的晶界相遇的地方。

以前,大多数研究人员认为陶瓷中这些晶界的化学性质非常稳定。但威斯康星大学麦迪逊分校材料科学工程师的一项新研究表明,事实并非如此。事实上,在重要的陶瓷材料碳化硅中,当材料受到辐射时,碳原子会在晶界聚集。这一发现有助于工程师更好地了解陶瓷的特性,并有助于对新一代陶瓷材料进行微调。

这项研究的细节发表在2020年5月25日的《自然材料》杂志上。

自20世纪70年代以来,研究人员已经意识到在金属合金中类似的辐射导致的偏析。由于金属原子自由地共用电子,所以它们能够很容易地混合和分离。当它们受到离子辐射的轰击时,金属中的一些原子会跳出原来的位置,向晶界移动,如果不同类型的原子以不同的速度移动,合金的化学性质就会改变。

陶瓷中的原子对与之结合的近邻有很强的选择性,而且这些键比金属的强得多。这就是为什么研究人员认为这些原子不会受到同样类型的隔离。但是当威斯康辛大学麦迪逊分校的材料科学与工程教授Izabela Szlufarska开始仔细研究碳化硅的晶界时,她发现并不是这样。

在碳化硅中,硅和碳很想结合在一起;他们想要50%的碳和50%的硅,她说。

然而,当她的团队进行模拟并对晶界进行成像时,晶界处的碳浓度只有45%。化学反应真的很差,她说。这是第一个令人惊讶的发现,因为这种材料确实希望原子有序。

这说明碳化硅也可能容易受辐射偏析的影响。因此Szlufarska和她的团队用离子辐射轰炸这种物质,发现在300到600摄氏度之间,晶界发生了碳富集。

在这些能级上,辐射会导致一些碳原子脱离原来的位置,在碳化硅中产生一对缺陷,包括一个被称为空位的空位和一个被称为间隙的松散碳原子。那些未附着的间隙原子迁移到晶界并在那里堆积,影响了材料的化学性质。

斯鲁法斯卡说,除了研究人员根本不相信这种类型的分离会在陶瓷中发生之外,直到最近,他们还缺乏工具来研究这一现象。经过艰苦的制造和制备碳化硅双晶体,在威斯康辛大学麦迪逊分校和橡树岭国家实验室进行的最先进的扫描透射电子显微镜使研究小组能够解析沿晶界的化学成分。

研究小组认为这种现象也可能发生在其他多晶陶瓷中。这一过程是一把双刃剑:一方面,辐射导致的偏析意味着陶瓷与金属合金在晶界受到相同类型的损伤和劣化,尽管温度不同。另一方面,这种分离在材料工程中也很有用,可以用来生产特殊版本的陶瓷,如碳化硅,用于核能、喷气发动机和其他高科技应用。

辐射可以作为一种工具来微调晶界化学。王兴是这项研究的合著者,他是宾夕法尼亚州立大学的教授,在威斯康星大学麦迪逊分校获得博士学位期间从事这项研究。那在将来可能对我们有用。

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参考文献:陶瓷中的辐射偏析作者:Wang Xing, Hongliang Zhang, Tomonori Baba, Hao Jiang, Cheng Liu, Yingxin Guan, Omar Elleuch, Thomas Kuech, Dane Morgan, Juan-Carlos Idrobo, Paul M. Voyles和Izabela Szlufarska, Nature Materials, 2020年5月25日

DOI: 10.1038 / s41563 - 020 - 0683 - y

这项研究得到了美国能源部(DE-FG02-08ER46493)和国家科学基金会(DMR-1720415)的资助。