(b) 施加不同大小掃描電壓后LixCoO2晶粒中鋰濃度分布與位置的關(guān)系
(c) 不同恒定電壓下Lix>CoO2晶粒中不同位置處電流與時間的變化關(guān)
(d) 鋰離子沿晶界輸運第一性原理計算模型
納米離子學是指研究固體中在納米尺度內(nèi)離子遷移的現(xiàn)象，以及與之相關(guān)的性質(zhì)、效應(yīng)、機制和應(yīng)用的一門新型學科，鋰離子電池、燃料電池、超級電容器以及離子型阻變存儲器（ionic memory）等都與納米離子學密切相關(guān)。目前人們對納米離子學的關(guān)注熱點主要集中在氧化物材料、離子導體以及材料界面處的離子輸運行為和相關(guān)性質(zhì)的研究。研究納米尺度下離子的輸運行為對發(fā)展納米離子型器件，探索新奇物理效應(yīng)有重要的意義。
中科院寧波材料所李潤偉研究團隊近幾年來在薄膜材料中的離子電輸運行為研究方面取得了一系列進展。首先，該研究小組在Nb/ZnO/Pt和ITO/ZnO/ITO三明治薄膜結(jié)構(gòu)中，通過外加電場的方法控制鈮離子和氧離子的輸運從而構(gòu)建了原子尺度的量子點接觸結(jié)構(gòu)并在室溫下獲得了量子電導行為（Adv. Mater., 24, 3941-3946 (2012)) 。隨后該研究小組采用質(zhì)子酸摻雜的聚西佛堿（PA-TsOH）作為研究對象，通過電場調(diào)控質(zhì)子酸離子在聚西佛堿主鏈的摻雜程度，精確的調(diào)控了材料的電阻狀態(tài)，最終獲得具有高一致性阻變行為以及多態(tài)、自整流特性的阻變器件（JACS, 134, 17408-17411 (2012)) 。
最近，該研究團隊制備了具有穩(wěn)定阻變性能的Pt/LixCoO2/Pt三明治結(jié)構(gòu)薄膜器件，證實了器件阻變行為與電場作用下鋰離子的遷移密切相關(guān)，并且器件的電阻狀態(tài)與薄膜中的鋰濃度相對應(yīng)。隨后，研究人員采用導電原子力顯微鏡（C-AFM）在納米尺度下（~10 nm）研究了電場作用下LixCoO2薄膜局域?qū)щ娦阅艿淖兓^程，發(fā)現(xiàn)在LixCoO2晶粒中靠近晶界處的鋰離子比遠離晶界處（晶粒內(nèi)部）的鋰離子更加容易在電場作用下發(fā)生遷移，并且給出了晶粒大小與臨界遷移電壓的半定量關(guān)系。第一性原理計算結(jié)果表明晶界位置處鋰離子的遷移勢壘高度僅為0.7eV，遠小于晶粒內(nèi)部的鋰離子的遷移勢壘高度（6.8eV），與實驗結(jié)果基本一致。此外，他們的研究結(jié)果表明在相同電壓下小尺寸的LixCoO2晶粒中的鋰離子更加容易脫嵌，并且具有更快的遷移速度。該研究發(fā)現(xiàn)為理解納米尺度范圍內(nèi)電場作用下離子輸運行為，研發(fā)高性能鋰離子電池以及發(fā)展納米離子型器件具有非常重要的意義。
相關(guān)結(jié)果被發(fā)表在Nature旗下的Scientific Reports. (3, 1084 2013)。該研究工作獲得國家973子課題、國家自然科學基金和中科院百人計劃等項目的支持。 （來源：中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所）
