博导担任一作兼通讯，北京科技大学，最新Nature Materials！

摘要：氧化物材料在许多应用中具有独特的物理化学特性，尤其是在超导性、氧离子传导、催化以及能源存储和转化等领域。尽管存在氧气空位（V

氧化物材料在许多应用中具有独特的物理化学特性，尤其是在超导性、氧离子传导、催化以及能源存储和转化等领域。尽管存在氧气空位（VO）导致结晶度下降，氧化物材料仍能受益于VO引入的功能。为了生成VO，已经开发了多种技术，如热退火、氢化和水热合成等，这些方法能降低氧原子解离的能量。然而，由于热波动的随机性，空位的排序受到抑制，导致材料功能严重下降。虽然外部电场可以控制VOO，而低电场则无法有效应用。因此，随着温度升高，晶格中的原子振动增强，热激活有助于削弱价键并减少扩散屏障，从而提高VO的生成效率。

在这里，北京科技大学陈克新研究员（二级教授，博士生导师，国家百千万人才工程有突出贡献中青年专家，国务院政府特殊津贴专家）联合清华大学刘光华副教授通过简单地将热激活与同时施加的电场耦合，可以在三元Sral2 O4 ，二元 TIO2和其他常见的氧化物材料中有效产生有序的氧空位，从而产生了卓越的性能。这种方法为氧化物材料的空缺工程提供了一种一般和实用的方式，并为其应用带来了巨大的希望。相关成果以“A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides”为题发表在《Nature Materials》上，第一作者为陈克新研究员，Xuanyi Yuan, Zhaobo Tian, Mingchu Zou为共同一作。

通过原子级成像可视化有序的VO

2424是经典的持续发光材料体系。通过电场处理（ET）对Sral24：1%EU2+样品进行处理后，样品中生成了2%DY3+，且在退火的主要样品中没有应用电场。X射线衍射分析显示，ET处理后的样品与参考样品的衍射峰一致，均符合Sral24的单斜相结构。为了提供ET处理样品中氧空位的直接证据，作者使用透射电子显微镜（TEM）对其进行了观察，结果显示，ET处理样品中存在周期性两倍的调制晶格，且通过环形明亮场（ABF）图像可见有序的VO分布。进一步的原子级成像技术（IDPC）也证明了VO的存在，并且电子损失光谱分析显示ET处理样品的O K边缘有明显变化，表明VO的大量存在。此外，X射线吸收光谱和热重分析也证实了ET处理样品中VO浓度的增加。通过这些实验，作者估计ET处理样品中的VO浓度约为5 at.％，而参考样品中的VO浓度为2%。

结构。

形成有序的Vo

氧化物材料中的氧空位形成已被广泛研究，尤其是在铝掺杂、电降解和电场刺激下。尽管有研究探讨了电场或电流如何促进VO的生成，但关于如何有效地在金属氧化物中产生有序的VO结构的研究较少。为了解释Sral24O形成的影响。研究表明，施加0.01v/Å的电场后，VO的形成能减少约0.1 eV，表明电场有助于VO的形成。作者还发现，在O8和O3位点，双VO的形成能远低于其他位点，O8和O3位点可能是双VO的优先形成位置（图2C，左）。在O8位点形成的VO还会导致O3原子横向移动，这在TEM图像中表现为对比度变化（图2B）。进一步的计算显示，电场的应用能够降低VO结构从无序到有序的能量屏障，增强O的扩散速率，从而促进有序VO的形成（图2D，E）。尽管理论电场值较实验电场值大，但局部电场的增强可能使得电场效应更为显著。

结构形成的影响。

通过产生的vo启用了卓越的功能

作者研究了ET处理对Sral24样品的影响，发现通过ET处理生成的有序VO显著增强了样品的余辉性能。图3A显示，ET处理样品的余辉衰减非常缓慢，1小时后余辉强度是参考样品的3.6倍。图3C展示了ET处理样品的磷光映射，覆盖了紫外到可见光范围，表明样品能有效被阳光和LED光源激活。余辉光谱（图3D）表明，EU2+离子在持续发光过程中保持为辐射中心。为了评估材料中的陷阱状态，作者进行了热发光测量（图3E），结果显示ET处理后的样品陷阱浓度显著增加，陷阱分布从0.65 eV变为更浅的0.55至0.61 eV范围。陷阱的适当深度有助于在室温下观察到长时间的余辉，进一步证明了VO在持续发光中的重要作用。通过计算有序和无序VO的过渡水平，作者发现ET处理后样品中的陷阱分布变得更浅，这与TL分析一致。最后，作者在不同温度下进行了ET处理，发现温度升高会缩短样品成为导电所需的时间，并改善了样品的电导性能。这些结果表明，ET处理显著提高了Sral24的长期余辉性能和电导特性。

图3：样本的性能

ET处理的一般适用性

作者通过ET处理成功引入了有序的氧空位到二元金属氧化物中，证明了这种方法在调节氧化物性能方面的有效性。以TiO2为例，ET处理后，样品中的氧空位有序分布，显著提高了材料的光学性能。X射线衍射和透射电子显微镜分析表明，ET处理后TiO2的晶格结构发生了变化，氧空位在O8位点上有序排列，且这种排列方式增强了材料的电荷存储能力。进一步的X射线吸收光谱和电子顺磁共振（EPR）测量确认了VO的生成，并表明ET处理的样品比退火样品含有更多的Ti3+。通过这些分析，得出结论，ET处理不仅提高了TiO2的光吸收能力，还增强了其电化学性能。类似地，ET处理还应用于其他氧化物材料（如ZrO232），并证明在这些材料中同样能够引入有序的氧空位，提升其性能。这表明，ET处理是一种有效的方法，可以广泛应用于不同氧化物材料的调节与优化。