原子層級模擬氧化鈰基固態氧化物燃料電池電解質之離子導電行為

Abstract

本研究使用分子動力學模擬研究氧化鈰之離子導電行為，著重在於了解不同半徑之三價元素參雜元素對於導電性之效應。本研究中選擇釔、釓、釤及鑭等具離子半徑1.019-1.160 Å 之元素為研究對象。首要工作為建立能可靠重現實驗所觀察到之導電性對不同參雜離子之反應之原子交互作用力場。使用第一原理計算結果及文獻報導之實驗值，可得到兩種不同的原子作用力場，並皆可以得到與實驗值相近的離子導電率數值。比較其對離子導電率的計算結果發現，使用參雜氧化鈰之晶格參數與氧跳躍能障為參考性質所建立之力場，在導電率對於參雜量及參雜元素的反應上有較與實驗符合的趨勢，因此使用此力場於後續之模擬。 三價離子與氧空缺之缺陷耦合分析結果顯示，具有較大離子半徑的參雜元素(鑭)傾向於第二鄰近耦合，相對而言，較小離子半徑的參雜元素(釔、釓、釤)傾向第一鄰近耦合。另外，結果顯示釤、釓參雜元素對於氧空缺之捕捉能力較弱，因此導致較高的氧空缺移動率。此外，靜態晶格計算結果顯示當參雜離子占據螢石結構中由陽離子構成之四面體共邊時，氧空缺之跳躍能障上升(通稱為稜阻礙效應)。分析結果進一步顯示，對於較大的參雜離子此效應更為明顯，並可能使得可供跳躍的路徑減少。缺陷耦合及稜阻礙的效應為影響離子導電性的重要因素，結合兩者論點可完整解釋不同參雜離子對於離子導電性之影響。