揭示Sm3+掺杂CeO2中氧离子传导浓度猝灭机制：基于荧光探针的晶格畸变研究

本文创新性地利用Sm3+荧光探针技术，系统研究了Sm3+掺杂CeO2(SDC)氧离子导体的局域晶格畸变与传导机制。通过精确测定体相电导率（8 mS/cm@500°C），结合拉曼光谱与荧光光谱分析，首次发现Sm3+含量增加时晶格畸变呈先降后升趋势（最低点x=0.05），揭示了体相电导率猝灭的结构起源，为优化掺杂策略提供了新视角。

　　

Highlight

实验方法

通过燃烧法制备Ce_{1-xSmxO2-δ粉末（x=0.01-0.15），使用硝酸铈和硝酸钐作为前驱体，甘氨酸作为燃料（1.2倍化学计量比）。粉末经600°C热处理6小时后，压制成型并在1600°C烧结10小时获得致密陶瓷片。}

结果与讨论

XRD显示所有样品均呈现萤石结构（图1），随着Sm³⁺掺杂量增加，晶格持续膨胀（表1），衍射峰宽化表明结构无序度增加。密度测试证实陶瓷相对密度＞95%（图2）。交流阻抗测试显示x=0.10样品在500°C时体相电导率达8 mS/cm，优于文献报道值。

创新性发现

Sm³⁺荧光光谱首次揭示：局域晶格畸变随掺杂浓度呈"V型"变化（最低点x=0.05），完美解释了体相传导活化能变化趋势。拉曼光谱证实氧空位与Sm³⁺的缺陷缔合作用随掺杂单调增强。有趣的是，高浓度Sm³⁺还会增加Ce⁴⁺周围的晶格紊乱。

Conclusion

结论

我们开发的Sm³⁺荧光探针策略，成功解析了SDC氧离子导体中局域晶格畸变的非线性变化规律。研究发现缺陷缔合作用与晶格畸变的竞争关系是导致电导率猝灭的关键因素，该技术可推广至其他Sm³⁺掺杂体系的结构研究。