北科大/清华Nature Materials：新突破！块体材料中高效构筑有序氧空位！
米测MeLab
2025-03-14
研究背景
氧化物材料是一类重要的功能材料，因其在超导、电离子传导、催化以及能量存储与转换等领域的广泛应用而备受关注。与传统的无缺陷氧化物相比，含有氧空位（VO）的氧化物材料在物理化学性能上展现出诸多优势，例如改善导电性、提高催化活性以及增强离子迁移率。然而，在大块材料中，氧空位的可控生成与有序调控仍然面临巨大挑战，主要由于其大尺寸和有限的表面积，使得传统的热处理方法难以有效诱导空位形成，而常规的电场调控又需施加极高电场，容易导致材料的电降解或介电击穿。 鉴于此，北京科技大学/甬江实验室陈克新、清华大学刘光华等人合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides”的最新论文。该团队提出了一种简便且通用的方法，即通过热激活与外加电场的协同作用（ET处理），在三元氧化物 SrAl₂O₄、二元氧化物 TiO₂ 及其他常见氧化物材料的大块晶体中高效生成有序氧空位。该策略利用热激活降低氧原子扩散势垒，同时施加电场驱动氧空位的定向迁移，从而在宏观尺度上实现氧空位的有序排列。
研究亮点
（1）本研究首次在大块氧化物材料中实现了有序氧空位（VO）的高效生成，获得了具有优异功能特性的氧化物材料。尽管VO在许多应用中具有重要作用，但其在大尺寸材料中的可控生成和调控仍然存在挑战。（2）实验通过将热激活与外加电场相结合（ET处理），成功在三元氧化物 SrAl₂O₄、二元氧化物 TiO₂ 及其他常见氧化物的大块晶体中诱导了有序VO。该方法利用热激活降低了氧空位的扩散势垒，同时通过电场调控VO的分布，实现了宏观尺度上的有序排列。（3）相比传统的热处理方法，该策略不仅提高了VO的生成效率，还克服了因随机热波动导致的空位无序问题。与薄膜材料相比，该方法适用于厘米级的大块材料，无需施加极端强电场，从而避免了电降解和介电击穿的问题。（4）VO的有序排列显著改善了材料的物理化学性质，为超导、电离子传导、催化及能量存储等应用提供了新的可能性。
图文解读
图1.通过电子辐照（ET）处理在SrAl2O4中形成有序空位结构。图2.SrAl2O4中有序VO的构型以及电场对有序VO结构形成的影响。
结论展望
总之，本文提出了一种通用且实用的方法，在大块氧化物中生成有序氧空位，并显著提升其功能特性。作者认为，这一研究成果在晶体固体中点缺陷的可控调控方面取得了重要进展，并为通过缺陷工程优化材料性能提供了新的可能性。Chen, K., Yuan, X., Tian, Z. et al. A facile approach for generating ordered oxygen vacancies in metal oxides. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02171-4
