How to interpret current–voltage relationships of blocking grain boundaries in oxygen ionic conductors

文献情報

出版日 2013-04-18
DOI 10.1039/C3CP00145H
インパクトファクター 3.676
著者

Seong K. Kim, Sergey Khodorov, Chien-Ting Chen, Sangtae Kim, Igor Lubomirsky


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要旨

A new model based on a linear diffusion equation is proposed to explain the current–voltage characteristics of blocking grain boundaries in Y-doped CeO2 in particular. One can also expect that the model can be applicable to the ionic conductors with blocking grain boundaries, in general. The model considers an infinitely long chain of identical grains separated by grain boundaries, which are treated as regions in which depletion layers of mobile ions are formed due to trapping of immobile charges that do not depend on the applied voltage as well as temperature. The model assumes that (1) the grain boundaries do not represent physical blocking layers, which implies that if there is a second phase at the grain boundaries, then it is too thin to impede ion diffusion and (2) the ions follow Boltzmann distribution throughout the materials. Despite its simplicity, the model successfully reproduces the “power law”: current proportional to voltage power n and illustrated with the experimental example of Y-doped ceria. The model also correctly predicts that the product nT, where T is the temperature in K, is constant and is proportional to the grain boundary potential as long as the charge at the grain boundaries remains trapped. The latter allows its direct determination from the current–voltage characteristics and promises considerable simplification in the analysis of the electrical characteristics of the grain boundaries with respect to the models currently in use.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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