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Li self-diffusion and ion conductivity in congruent LiNbO3 and LiTaO3 single crystals

材料科学 阿累尼乌斯方程 能量(信号处理) 活化能 扩散 等结构 离子电导率 凝聚态物理 空位缺陷 分析化学(期刊) 物理 结晶学 热力学 物理化学 晶体结构 化学 量子力学 电解质 色谱法 电极
作者
Claudia Kofahl,Lars Dörrer,Brendan Muscutt,Simone Sanna,Stepan Hurskyy,Uliana Yakhnevych,Yuriy Suhak,Holger Fritze,Steffen Ganschow,Harald Schmidt
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:7 (3) 被引量:15
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.7.033403
摘要

Lithium niobate and lithium tantalate crystals are technologically important metal oxides with exceptional combinations of ferroelectric, piezoelectric, acoustic, optical, and electrical properties. The self-diffusion of both, the ionic constituents and the underlying point defects, is especially important for the overall electrical conductivity. To get insight into their dynamics, we investigate in this work Li self-diffusion in congruent ${\mathrm{LiNbO}}_{3}$ and ${\mathrm{LiTaO}}_{3}$ single crystals from different suppliers up to a temperature of $800{\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}}^{\ensuremath{\circ}}\mathrm{C}$, using isotope-enriched $^{6}\mathrm{LiNbO}_{3}$ and $^{6}\mathrm{LiTaO}_{3}$ tracer layers in combination with secondary ion mass spectrometry depth-profile analysis. The diffusivities of the two isostructural materials are identical within error limits and can be described by the Arrhenius law with an activation energy of 1.35 eV in the range from ${150}^{\ensuremath{\circ}}$ to $800{\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}}^{\ensuremath{\circ}}\mathrm{C}$. Furthermore, the electrical conductivity is determined between $400{\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}}^{\ensuremath{\circ}}\mathrm{C}$ and $600{\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}}^{\ensuremath{\circ}}\mathrm{C}$ and can described by an activation energy of about 1.34 eV. This is in excellent agreement with the energy barrier for the diffusion of a single Li vacancy as determined by nudged elastic band calculations based on density-functional theory. The Li-ion conductivities calculated from the diffusivities in ${\mathrm{LiNbO}}_{3}$ and ${\mathrm{LiTaO}}_{3}$ are identical within the error margins with the overall conductivities obtained from impedance spectroscopy measurements. This indicates that the migration of ${\mathrm{Li}}^{+}$ is able to explain the overall electrical conductivity below $600{\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}}^{\ensuremath{\circ}}\mathrm{C}$ down to $180{\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}}^{\ensuremath{\circ}}\mathrm{C}$.
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