研究背景
氧化物材料是一類重要的功能材料，因其在超導(dǎo)、電離子傳導(dǎo)、催化以及能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的無缺陷氧化物相比，含有氧空位（VO）的氧化物材料在物理化學(xué)性能上展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，例如改善導(dǎo)電性、提高催化活性以及增強(qiáng)離子遷移率。然而，在大塊材料中，氧空位的可控生成與有序調(diào)控仍然面臨巨大挑戰(zhàn)，主要由于其大尺寸和有限的表面積，使得傳統(tǒng)的熱處理方法難以有效誘導(dǎo)空位形成，而常規(guī)的電場調(diào)控又需施加極高電場，容易導(dǎo)致材料的電降解或介電擊穿。 鑒于此，北京科技大學(xué)/甬江實(shí)驗(yàn)室陳克新、清華大學(xué)劉光華等人合作在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)提出了一種簡便且通用的方法，即通過熱激活與外加電場的協(xié)同作用（ET處理），在三元氧化物 SrAl?O?、二元氧化物 TiO? 及其他常見氧化物材料的大塊晶體中高效生成有序氧空位。該策略利用熱激活降低氧原子擴(kuò)散勢壘，同時(shí)施加電場驅(qū)動(dòng)氧空位的定向遷移，從而在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)氧空位的有序排列。
研究亮點(diǎn)
（1）本研究首次在大塊氧化物材料中實(shí)現(xiàn)了有序氧空位（VO）的高效生成，獲得了具有優(yōu)異功能特性的氧化物材料。盡管VO在許多應(yīng)用中具有重要作用，但其在大尺寸材料中的可控生成和調(diào)控仍然存在挑戰(zhàn)。（2）實(shí)驗(yàn)通過將熱激活與外加電場相結(jié)合（ET處理），成功在三元氧化物 SrAl?O?、二元氧化物 TiO? 及其他常見氧化物的大塊晶體中誘導(dǎo)了有序VO。該方法利用熱激活降低了氧空位的擴(kuò)散勢壘，同時(shí)通過電場調(diào)控VO的分布，實(shí)現(xiàn)了宏觀尺度上的有序排列。（3）相比傳統(tǒng)的熱處理方法，該策略不僅提高了VO的生成效率，還克服了因隨機(jī)熱波動(dòng)導(dǎo)致的空位無序問題。與薄膜材料相比，該方法適用于厘米級的大塊材料，無需施加極端強(qiáng)電場，從而避免了電降解和介電擊穿的問題。（4）VO的有序排列顯著改善了材料的物理化學(xué)性質(zhì)，為超導(dǎo)、電離子傳導(dǎo)、催化及能量存儲(chǔ)等應(yīng)用提供了新的可能性。
圖文解讀
圖1.通過電子輻照（ET）處理在SrAl2O4中形成有序空位結(jié)構(gòu)。圖2.SrAl2O4中有序VO的構(gòu)型以及電場對有序VO結(jié)構(gòu)形成的影響。
結(jié)論展望
總之，本文提出了一種通用且實(shí)用的方法，在大塊氧化物中生成有序氧空位，并顯著提升其功能特性。作者認(rèn)為，這一研究成果在晶體固體中點(diǎn)缺陷的可控調(diào)控方面取得了重要進(jìn)展，并為通過缺陷工程優(yōu)化材料性能提供了新的可能性。Chen, K., Yuan, X., Tian, Z. et al. A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02171-4
