徐晗 张璐

(西安交通大学建筑环境与能源应用工程系， 西安 710049)

1 引 言

氧离子导体作为一种关键电解质材料， 广泛应用于化学传感器、氧泵、燃料电池等能量转换与储存器件[1，2].例如固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell， SOFC)常将ZrO2基(ZrO2-M2O3)， CeO2基(CeO2-M2O3)等萤石结构氧化物陶瓷作为电解质材料.氧离子导体内部存在多种界面， 包括同相材料晶粒与晶粒之间形成的晶界(grain boundary，GB)、不同相材料接触形成的异质界面等[3].已有研究表明， 上述界面附近区域载流子传输特性显著区别于体相区域， 表现出差异极大的导电性能， 例如， GB 电导率比体相低几个数量级[4]， 薄膜电解质内异质界面电导率可比体相高几个数量级[5].尤其涉及近些年得到广泛关注的纳米导体材料时， 界面的体积占比明显提高， 导致其对导体内载流子传输的影响显著增加， 而通过调控界面来提升材料电化学性能与稳定性也成为了当前相关领域的前沿研究热点之一[6，7].

早期研究指出晶粒间存在杂质相会阻碍离子传输， 影响导体导电性能， 例如ZrO2基氧离子导体中存在具有高电阻率的SiO2是GB 区域电导率降低的原因[8].然而后续研究发现即使去除杂质相，GB 电导率仍然很低[9]， 由此指出该现象理应是GB的固有特性， 而空间电荷层(space charge layer，SCL)效应是产生这种现象的根源[10]: 导体中带电点缺陷(例如氧离子导体中的氧空位)被分离到GB， 使得GB 带有正电荷， 同时在GB 附近的体相形成带负电的空间电荷层， 以保持整个导体电中性.带电点缺陷的重新分布可……