Uspješan rad ruđerovaca objavljen u časopisu "Acta Materialia"

20.8.2019.

Znanstvenici Instituta Ruđer Bošković, dr. sc. Ana Šantić, doktorand Juraj Nikolić, dr. sc. Luka Pavić, dr. sc. Radha D. Banhatti, prof. Andrea Moguš-Milanković u suradnji sa znanstvenicima sa Sveučilišta u Pardubicama, prof. Petrom Mošnerom i prof. Ladislavom Koudelkom objavili su rad u uglednom znanstvenom časopisu 'Acta Materialia' (IF= 7,293).

U ovoj opsežnoj studiji pod naslovom: 'Scaling features of conductivity spectra reveal complexities in ionic, polaronic and mixed ionic-polaronic conduction in phosphate glasses' istražena su električna svojstva cink fosfatnih stakala u kojima se Li2O, Na2O i Ag2O postupno zamjenjuju s oksidima prijelaznih metala (WO3 i MoO3) te je pokazano kako se primjenom jednostavne model-free analize spektara električne provodnosti mogu detektirati kompleksni procesi ionskog i miješanog ionsko-polaronskog transporta. 

''U ovom radu pokazali smo kako se primjenom jednostavne analize skaliranja spektara električne provodnosti mogu detektirati kompleksni procesi ionskog i miješanog ionsko-polaronskog transporta u oksidnim staklima. Ovi rezultati važni su za razumijevanje osnovnih mehanizama električne vodljivosti u ovim materijalima i predstavljaju temelj za njihovu primjenu u elektrokemijskim uređajima." – objašnjava dr. sc. Ana Šantić, voditeljica Laboratorija za funkcionalne materijale Zavoda za kemiju materijala. 

Nositelji naboja u oksidnim staklima

Električki vodljiva oksidna stakla intenzivno se istražuju posljednjih godina zbog primjene kao elektroliti, elektrodni materijali ili neka druga specifična komponenta u različitim modernim elektrokemijskim uređajima, od krutih baterija, gorivih ćelija do 'pametnih' prozora i kemijskih senzora.

Ovisno o sastavu, ovi materijali pokazuju ionsku, elektronsku (polaronsku) ili miješanu ionsko-polaronsku vodljivost. Stakla koja sadrže prijelazne metalne okside pokazuju elektronsku vodljivost koja se opisuje mehanizmom preskoka malog polarona (small polaron hopping). U ovim su materijalima prijelazni metalni ioni prisutni u različitim oksidacijskim stanjima te je vodljivost posljedica njihovih termički aktiviranih skokova s prijelaznog metalnog iona nižeg na prijelazni metalni ion višeg oksidacijskog stanja.

Prema tome, polaronski transport snažno ovisi o ukupnom udjelu prijelaznog metalnog oksida i relativnom udjelu prijelaznog metalnog iona u različitom oksidacijskom stanju. S druge strane, stakla koja sadrže alkalijske okside pokazuju ionsku vodljivost koja je posljedica gibanja iona te ovisi o koncentraciji i pokretljivosti alkalijskih iona. Međutim, električni transport još je kompliciraniji ako staklo sadrži prijelazni metalni oksid u kombinaciji s alkalijskim oksidom i time pokazuje ionsku, polaronsku ili miješanu polaronsko-ionsku vodljivost ovisno o sastavu. U ovim staklima, električni transport ovisi o nizu faktora uključujući i dodatni utjecaj međusobnog djelovanja iona i polarona.

Spektri provodnosti i vremensko-temperaturna superpozicija

U ovom istraživanju pripravljeno je šest serija cink fosfatnih stakala u kojima se Li2O/Na2O/Ag2O postepeno zamijenio s WO3/MoO3 te su impedancijskom spektroskopijom izmjereni spektri električne provodnosti u širokom području temperatura i frekvencija. Analiza spektara provodnosti provedena je istraživanjem svojstava skaliranja kojim se testira načelo vremensko-temperaturne superpozicije (time-temperature superposition) postupkom u kojem se izoterme provodnosti pokušavaju superponirati primjenom odgovarajućih faktora pomaka, s tim da je faktor pomaka neovisan o frekvenciji.

U literaturi su poznati različiti postupci skaliranja koji koriste različite faktore pomaka. U ovom istraživanju primijenjena su dva postupka poznata kao Summerfieldovo i Sidebottomovo skaliranje. Primjena Sidebottomovog skaliranja potvrdila je postojanje vremensko-temperaturne superpozicije kod svih stakala što znači da se mehanizam vodljivosti ne mijenja s temperaturom.

Nadalje, više informacija o električnom transportu u ovim materijalima dobiveno je primjenom Summerfieldovog skaliranja koje se pokazalo neuspješnim za određena stakla. Tako je utvrđeno da stakla koja sadrže 10 do 15 mol% Li2O/Na2O/Ag2O i 30 do 40 mol% WO3 pokazuju miješani ionsko-polaronski transport zbog značajne količine oba tipa nositelja naboja, iona i polarona.

Također, kod stakala koja sadrže više od 20 mol% Li2O otkriven je netipičan mehanizam transporta Li+ iona u kojem karakteristični prostorni doseg gibanja Li+ iona nije konstantan već se povećava s temperaturom. Ovaj rijedak primjer dinamike litijevih iona objašnjava se utjecajem kompaktne cink fosfatne mreže, te jasno ukazuje na značajnu ulogu lokalne strukture stakla u ionskom transportu.

Ova stranica koristi kolačiće

neki od tih kolačića nužni su za ispravno funkcioniranje stranice, dok se drugi koriste za praćenje korištenja stranice radi poboljšanja korisničkog iskustva.

Za više informacija pogledajte naše uvjete korištenja.

  • Kolačići koji su nužni za ispravno funkcioniranje stranice. Moguće ih je onemogućiti u postavkama preglednika.