Acta Mater.：借助STEM的位相衬度识别平衡态Ni-YSZ界面原子结构

【引言】

固态氧化物燃料电池在高效能源存储和电力供应的前景广阔。在众多固态氧化物燃料电池体系中，Ni和钇稳定氧化物（YSZ）之间的界面是关键部分，此处Ni作为阳极材料。因此，界面稳定性至关重要。在电池工作期间，Ni-YSZ界面暴露在高温下引起Ni颗粒的粗化，总的界面能减少，驱动界面总面积的减少，从而导致电池工作效率的劣化。提高电极中界面稳定性和持久性是固态氧化物燃料电池领域的一个关键挑战。

【成果简介】

近日，以色列理工学院的Wayne D. Kaplan教授（通讯作者）在Acta Materialia上发表了题为“Discerning Interface Atomistic Structure by Phase Contrast in STEM:The Equilibrated Ni-YSZ Interface”的文章。Ni和钇稳定氧化锆（YSZ）的平衡界面是1350℃，氧偏压为10-20atm条件下，Ni薄膜在YSZ单晶的(111)表面通过固态润湿形成的。平衡固-固界面的原子结构借助单色消像差矫正的扫描透射电子显微镜（STEM）使用不同技术来确定。结果显示由于Ni和YSZ重构界面之间发生了大的晶格错配，形成了一种包含高密度失配位错的特殊结构。然而，尽管有大的晶格错配，界面也不是非共格的。界面由阳离子终止，这可能是由于低氧偏压下达到平衡导致的。

【图文导读】

图1：通过固态润湿方法制备，平衡态Ni颗粒在YSZ基底上的二次电子HRSEM图像。

颗粒的(111)面与YSZ基底表面的(111)面平行。点划线矩形为FIB选择的区域，用于TEM分析。

图2：同时获得的平衡态Ni颗粒沿Ni[-110]轴向的界面区域STEM图像。

(a)高角度环形暗场STEM图像；

(b)环形明场STEM图像。

图3：界面区域的iDPC-STEM表征。

(a)平衡态Ni颗粒沿Ni[-110]轴向的界面区域的iDPC-STEM图像，界面处Ni原子和Zr原子之间的电荷转移明显可见;

(b)将(a)图使用高通滤波器进行过滤后的图像，原子柱位置可在界面两侧都看到；

(c)白色方框划定的沿界面交替排布的重复单元定义为A和B，一个剩余连续平面（B单元）在一列结构单元之间分离。

图4：界面区域的EDS分布图。

(A)界面的环形暗场STEM图像；

(B-F)同一区域的EDS能谱分布图。

【小结】

本工作借助IDPC STEM和EDS能谱分布图确定平衡Ni[-110]||YSZ[1-10](111)界面的局域原子结构。实验图像显示界面采用一种含有高密度失配位错的特殊结构，这是由于两相具有特殊的取向关系，产生大的晶格失配导致的。然而，尽管具有较大的晶格失配，界面仍不是非共格的。观察到的位错序列定义了界面的重构结构，通过吸收错配应变能使得界面能最小化。

文献链接：Discerning Interface Atomistic Structure by Phase Contrast in STEM: The Equilibrated Ni-YSZ Interface（Acta Mater.，2018，DOI：10.1016/j.actamat.2018.05.011）

本文由材料人金属材料组Isobel供稿，材料牛整理编辑。

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