孙立涛&郑海梅Nano Letters：快离子导体的赝电弹性

【引言】

快离子导体因其具有固液双重特性，被广泛的应用于储能、忆阻器、晶体生长等领域。基于固液特性的理论预测表明，在外电场的作用下，类液态的阳离子能够脱离刚性阴离子亚晶格的束缚，从纳米线的一端析出；去除外电场后，析出的金属阳离子能够自发的回吸，恢复到其初始状态。然而，这种赝电弹性并没有得到实验上的验证，且其微观机制仍不明确。本文采用原位 TEM 技术和第一性原理计算，首次观察到单晶硫化亚铜纳米线动态的赝电弹性伸缩过程，阐明了快离子导体赝电弹性伸缩过程中的微观机制，并创造性的将赝电弹性应用于纳米电机械系统。

【成果简介】

继东南大学联合美国劳伦斯伯克利国家实验室首次报道了电驱动的阳离子交换方法之后（Nat. Commun. 8, 14889 (2017)）。近日，东南大学的孙立涛，美国劳伦斯伯克利国家实验室的郑海梅，以及德国Juelich研究中心的Ilia Valov (共同通讯)作者等人，利用原位TEM技术，首次观察到了快离子导体中的赝电弹性现象，揭示了快离子导体中产生赝电弹性的微观机制，并将此性质应用于纳米机械系统。相关成果以“Spring-like pseudoelectroelasticity of monocrystalline Cu2S nanowire” 为题发表在Nano Letters 上。该论文第一作者为东南大学博士生张秋波和麻省理工学院博士生石哲（共同一作）。

【图文导读】

图1 Cu₂S 纳米线的赝电弹性形变

（a）原位实验设置的结构示意图；

（b）赝电弹性伸缩过程中实时的电流 VS.时间和长度VS.时间曲线；

（c）赝电弹性伸缩过程图像序列；

（d）赝电弹性伸缩过程示意图；

图2 Cu₂S 纳米线的赝电弹性形变过程中的微结构演化

（a-d）析出过程的HRTEM 和相应的FFT图；

（e）随时间变化的FFT轮廓线；

（f）高辉铜矿相Cu₂S的原子结构；

（g）2b 位置的Cu原子协同迁移时的能量势垒；

（h-g）回吸过程的HRTEM 和相应的FFT图；

图3 赝电弹性形变过程中的动力机制

（a） 铜离子受力情况的示意图；

（b）不同偏压作用下，铜析出弛豫时间和析出物的投影面积；

（c）赝电弹性过程中，四个子过程的受力情况示意图；

（d）四个子过程相应的电子电化学电位分布；

图4 单根纳米线纳米电致动器

（a） 纳米线电致动器单个伸缩过程的图像序列；

（b）致动器工作过程中，受力物体相对距离和相对角度的变化曲线；

（c）纳米线电致动器的可重复工作曲线；

【小结】

本文直接的在原子尺度下观察了Cu₂S纳米线的赝电弹性行为，并将此性质应用于纳米机械系统。整个电化学动力过程包括：Cu₂S相变，Cu⁺离子的迁移和阻塞，Cu突触的成核、生长以及自发地回吸。微观机制表明，铜离子的析出是电场力主导的；铜突触的回吸是化学电位梯度力主导的。我们的研究为探索快离子导体的性质提供了一个新的视角，也进一步深化了对快离子导体中离子传输的认识，能够拓宽快离子导体在电化学和纳米机械系统等领域的应用。

文献链接：Spring-like pseudo-electroelasticity of monocrystalline Cu₂S nanowire （nano

letters 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01914）

本文由张秋波、石哲供稿，材料牛整理编辑。

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