LK-99是超离子性伪装超导性?


来自Prashant Jain观点:LK-99是一种完全不同的 "超级 "特性被伪装成超导电性的标志:超离子性。

超离子性虽然与超导性完全不同,而且并不为人们所熟知,但其本身就令人着迷。那么,什么是超离子性呢?如果您猜测“离子移动速度超快”,那么您基本上是对的。

离子比电子质量大得多。除了在结晶固体中之外,您还希望离子在其平均位置附近振动,但不会四处移动。然而,在某些材料中,例如硫化铜、硫化铜和碘化银,会发生一些不寻常的事情......

阳离子就像在液体中一样快速移动。该材料成为电的导体,只不过这种情况下的载流子是阳离子而不是电子。这是一种超离子导体!

硫化铜、硒化铜和碘化银都是由排列在晶格中的阳离子和阴离子组成的离子固体的例子,但它们有一些不寻常的地方。

为了强调这种不寻常的性质,以食盐、由钠阳离子和氯阴离子制成的氯化钠为例。将氯化钠加热,在约800℃时,固体熔化形成熔盐(液相)。

但现在以硫化铜 (I) 为例,它是LK99的客串明星。它是铜阳离子和硫化物阴离子加热后的有序晶体。
在达到 1130 摄氏度的熔化温度之前,您会在 104 摄氏度处经历一个令人着迷的相变,称为超离子相变。
奇怪的是,在这个温度下,只有“一半的固体”熔化。铜阳离子亚晶格熔化,而硫化物阴离子则留在其刚性的六角形晶体框架中。
怎么可能?这仍在研究中,但宽泛地说,阳离子明显小于阴离子,使得两个子晶格能够“解耦”。因为较小,所以有许多间隙可供阳离子跳跃。

其效果是:阳离子形成“液体状”移动网络,不断从一个间隙跳到另一个间隙,见论文
然而,由于阴离子的刚性晶体排列,该固体仍然保持固体的强度和机械性能。


如果它看起来仍然像固体,我们怎么知道阳离子亚晶格是熔化的?在X射线衍射或电子显微镜中,与阳离子有序排列相关的衍射峰或晶格条纹在超离子转变温度下消失。 

我们在硒化铜的原位 TEM 实验中捕捉到了这一点

或者,如果将电极连接到固体上并在其两端施加电压,就可以检测到离子的流动并测量离子的导电性(使用称为交流阻抗光谱的方法,可帮助您区分离子流动和电子流动所产生的导电性)。

当您希望移动阳离子(如在充电电池中)时,这种特性非常有用。原则上,超离子相可以成为理想的电池电解质...
没有易燃液态电解质的问题,同时允许阳离子以液体中的速度(扩散率)快速充电/放电。

那么,为什么这些材料没有得到商业应用呢?有用的超离子相只有在高温(硫化铜(I)的温度高于 104 摄氏度)条件下才能获得,这不利于电池的运行。我们希望能在室温下获得超离子相。

我们想要室温超电离性!因此,当务之急是降低相变温度 Tc。你可能会注意到,这与超导研究的目标正好相反,在超导研究中,我们希望将 Tc 推高。

我们在硒化铜中偶然发现了一种降低 Tc 的方法,那就是strain应变。

晶格上的压缩应变使晶格中不同的间隙在能量上更加相似,阳离子可以从一个间隙跳到另一个间隙,而不会产生很大的能量障碍。

....
更多点击标题

这正是LK-99 中所看到的,并被误认为是超导性的标志。因此,这不是超导性,也不是金属到绝缘体的转变,而是有序到超离子的相变。