Interfacial ionic conduction enhanced by lattice distortion and randomly distributed anions

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 15H02024
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Hasegawa Tetsuya 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10189532)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 界面イオン伝導 / 格子歪 / アニオン欠損

Outline of Final Research Achievements

Effects of cation dopants, anion (F- and N3-) dopants, oxygen vacancy and epitaxial strain to the oxygen diffusion in cubic ZrO2 were systematically investigated by means of first principles MD calculations. As a result, it was found that the oxygen diffusion coefficient was considerably enhanced by introducing oxygen vacancy, anion and lattice strain simultaneously. Similar calculations were also conducted for La-O-F. MD simulations revealed that F- can migrate faster than O2-. Particularly, in tetragonal La-O-F, F- was found to diffuse through an interstitialcy mechanism due to the layered crystal structure.

Free Research Field

固体化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、界面を用いたイオン伝導にという新規分野とその学理の基礎が確立されたという点で学術的な意義は大きい。また、材料開発の面では、界面を利用するという新しいアプローチが生まれ、探索対象が大幅に広げることができた。特に、将来的には、燃料電池の分野に及ぼすインパクトは大きい。単一の界面だけでは、輸送できるイオンの量が限られるが、積層化すれば輸送量も実用レベルまで到達しうると考えられる。さらに、本申請ではフッ化物イオンや酸化物イオンの伝導に焦点を絞ったが、本研究で確立させた学理は、リチウムイオンなどのカチオン伝導やヒドリドといった他のアニオン伝導にも適用できるため、波及効果は計り知れない。