摘要：近日，北京科技大学新金属材料全国重点实验室陈克新研究员团队与清华大学、甬江实验室等国内外科研机构合作，在氧化物材料缺陷结构调控领域取得重大突破。相关成果以 “A facile approach for generating ordered oxygen vac
近日，北京科技大学新金属材料全国重点实验室陈克新研究员团队与清华大学、甬江实验室等国内外科研机构合作，在氧化物材料缺陷结构调控领域取得重大突破。相关成果以 “A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides” 为题发表于材料领域国际顶级期刊《Nature Materials》，北京科技大学为论文第一单位和通讯单位。
氧空位作为金属氧化物中最关键的缺陷类型之一，其有序排列直接影响材料的功能特性。此前，学界已通过热激励、电场调控等手段在纳米颗粒或薄膜中实现氧空位的有序分布，但宏观块材中氧空位的无序性始终是制约其性能提升的瓶颈。陈克新团队提出的 “电场 - 热激活耦合处理（ET 处理）” 技术，首次实现了宏观氧化物块材中氧空位的精准构筑，为材料性能优化开辟了全新路径。
研究团队通过将电场（0.01 V/Å）与高温（600-800℃）相结合，成功在 SrAl₂O₄、TiO₂等多种氧化物中诱导出周期性氧空位排列。实验表明，电场的引入显著降低了氧空位形成能垒（约 40 meV），促使晶格氧原子定向迁移，形成稳定的有序缺陷结构。利用积分差分相位衬度（iDPC）成像技术与密度泛函理论（DFT）计算，团队揭示了电场作用下氧空位的择优形成机制：在 SrAl₂O₄晶体中，O8 位点氧空位形成能最低，且相邻氧原子的迁移进一步稳定了有序结构。
该技术在多个氧化物体系中展现出普适性与高效性：
长余辉发光材料：经 ET 处理的 SrAl₂O₄材料陷阱能级分布优化至 0.55-0.61 eV，激发停止 1 小时后余辉强度达 83 mcd/m²，是未处理样品的 3.6 倍，为夜光材料、光学存储等领域提供了新方案。锂离子电池电极：TiO₂经 ET 处理后，有序氧空位为锂离子提供了更多迁移通道与存储位点，比容量提升至 311 mAh/g（0.2 A/g），是商业材料的 2 倍以上，显著改善电池快充性能。其他体系：在 ZrO₂、WO₃、VO₂等材料中，ET 处理同样实现了氧空位的有序调控，为催化、传感器等领域提供了新思路。该研究由北京科技大学牵头，联合清华大学、中国人民大学、中科院物理研究所等单位共同完成。团队通过先进表征技术与理论计算的深度融合，揭示了电场 - 热激活协同调控氧空位的微观机制，为宏观块材的功能化设计提供了理论支撑。研究成果不仅突破了传统缺陷工程的局限，更推动了氧化物材料在能源存储、环境治理等领域的创新应用。
陈克新表示，该技术为氧化物材料的 “缺陷编程” 提供了通用策略，下一步将聚焦于拓展其在高温超导、固态电解质等领域的应用，并探索与人工智能相结合的高通量材料设计方法。这一成果标志着我国在氧化物缺陷调控领域进入国际前列，为解决陶瓷脆性、能源转换效率等关键问题奠定了重要基础。
来源：医学顾事