Photo-enhanced ionic conductivity across grain boundaries in polycrystalline ceramics

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作者
Thomas Defferriere,Dino Klotz,Juan Carlos Gonzalez‐Rosillo,Jennifer L. M. Rupp,Harry L. Tuller
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (4): 438-444 被引量:34
标识
DOI:10.1038/s41563-021-01181-2
摘要

Grain boundary conductivity limitations are ubiquitous in material science. We show that illumination with above-bandgap light can decrease the grain boundary resistance in solid ionic conductors. Specifically, we demonstrate the increase of the grain boundary conductance of a 3 mol% Gd-doped ceria thin film by a factor of approximately 3.5 at 250 °C and the reduction of its activation energy from 1.12 to 0.68 eV under illumination, while light-induced heating and electronic conductivity could be excluded as potential sources for the observed opto-ionic effect. The presented model predicts that photo-generated electrons decrease the potential barrier heights associated with space charge zones depleted in charge carriers between adjacent grains. The discovered opto-ionic effect could pave the way for the development of new electrochemical storage and conversion technologies operating at lower temperatures and/or higher efficiencies and could be further used for fast and contactless control or diagnosis of ionic conduction in polycrystalline solids.
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