Science Advances：原位观察揭示氢在纳米级镁中的扩散动力学
痴迷文献
从金属相到介电相过渡时，光学特性的极大变化使其与可切换的光学和有源等离激元系统高度相关。金属镁已经被广泛研究用于储氢，同时，镁在其初始金属状态下显示出大的自由电子密度，具有相对较小的寄生损耗，因此是一种出色的等离激元材料。将Mg暴露于氢（H2）会引起从金属Mg到电介质氢化镁（MgH2）的相变，该电介质是高度透明的电介质材料。而MgH2相又可以反转为金属Mg状态，使相变完全循环。因此从概念上讲，能够可控地和可逆地打开和关闭Mg纳米结构的等离激元共振。研究证明Mg-MgH2相变可用于可切换超表面，从而实现动态全息术或动态等离子彩色显示器。然而，氢化时材料的体积膨胀，较差的可循环性，有限的氢扩散系数等严重阻碍了其应用。
有鉴于此，斯图加特大学Julian Karst报道了使用自立式原位纳米成像技术，揭示了金属镁（Mg）到介电氢化镁（MgH2）的相变动力学的纳米细节。
文章要点
1）MgH2的特征性IR声子共振使化学特异性能够明确追踪氢化物的形成，成核和横向生长。研究发现此过程受Mg薄膜的纳米级形态的影响很大。这种形态是造成氢缓慢扩散通过整个薄膜的主要原因。
2）在切换整个薄膜之前停止氢化，在电介质MgH2中保留金属Mg区域。从局部和平均垂直膨胀的分析中，可以推断出在表面以下形成了MgH2阻挡层，从而防止了氢进一步扩散穿过薄膜。此外，单个的Mg晶粒显示的氢加载动力学比宏观薄膜尺度的动力学快。这种行为是由单个纳米晶体和晶界上的有效平均引起的。
3）研究发现，氢化需要在晶界成核，增加的晶界密度也应加快整个氢化过程。这解释了为什么Mg合金中氢扩散系数可以得到显著改善，例如在MgxNiy薄膜中，研究人员观察到非常小的晶粒，从而具有大的晶界密度。
该研究工作在增强和理解相变的扩散动力学，动力学和效率以及各种各样的氢存储和制备材料方面迈出了重要一步。
J. Karst, F. Sterl, H. Linnenbank, T. Weiss, M. Hentschel, H. Giessen, Watching in situ the hydrogen diffusion dynamics in magnesium on the nanoscale. Sci. Adv. 6, eaaz0566 (2020).
DOI: 10.1126/sciadv.aaz0566
https://advances.sciencemag.org/content/6/19/eaaz0566