Oxygen Ion diffusion in RE3TaO7: why long-range migration of O2− is prohibited in the defective-fluorite structure?

材料科学 萤石 氧气 离子 扩散 航程(航空) 结晶学 化学物理 热力学 冶金 化学 复合材料 物理 有机化学
作者
Guoliang Ren,Hanchao Zhang,Junwei Che,Huangyue Cai,Yidong Hu,Qiaodan Hu,Na Ni,Xiaofeng Zhao,Fan Yang
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:281: 120362-120362
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2024.120362
摘要

Oxides with low O2− lattice diffusion are critical for the development of topcoat materials for next generation thermal barrier coatings (TBCs) working at > 1600 °C to prevent the fast growth of thermally grown oxide (TGO) at the bondcoat/topcoat interface. Here we delve into a comprehensive analysis of the oxygen ion transport characteristics of the recently developed low-, medium- and high-entropy rare earth tantalates (RE3TaO7) for TBCs by a combination of impedance spectroscopy, 18O isotope diffusion tests and atomic-scale simulations. Results show that the RE3TaO7 series display remarkably low oxygen ion diffusion rate (> 3 orders of magnitude lower than the state-of-the-art topcoat material yttria stabilized zirconia, YSZ) despite the presence of abundant oxygen vacancies in the structure. Molecular dynamic (MD) simulations combined with first principles calculations reveal that oxygen ions are strongly trapped by the potential well at the Ta-Ta edge in the tantalates. In addition, the high electrostatic potential (EP) surrounding oxygen vacancies and the high diffusion barriers between rare earth elements also impede oxygen ion diffusion. With low oxygen ion diffusion rate, along with exceptional thermal and mechanical properties reported previously, RE3TaO7 are promising topcoat materials for next-generation TBCs working at higher temperatures. Moreover, this study also provides valuable insights for understanding the O2− lattice diffusion behaviour in RE3TaO7 with a defective fluorite structure, which may benefit the exploration of oxide-ion conductors.
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