科大發現離子在超離子晶體中快速傳輸的微觀奧秘

在追求更安全、充電更快的固態電池，以及更高效的熱電轉換技術的競賽中，科學界一直面臨一個關鍵挑戰：如何令特定離子在堅硬的固體材料中，仍能像在液體中般快速擴散？香港科技大學（科大）機械及航空航天工程學系副教授周豔光教授的研究團隊，最近成功發現離子在固體中快速傳輸的全新機制，為相關材料的設計提供嶄新方向。

研究發現，離子在固體中的高速傳輸，並非單一粒子的行為，而是由系統中所有粒子共同參與的集體行為所主導。相關研究成果已於國際期刊《物理評論快報》上發表，論文題為「離子輸運的根源：「聲子」– 離子相互作用」。研究由周教授帶領，團隊成員均來自機械及航空航天工程學系，包括兩位博士後研究員徐伊昕博士及向星博士、李志剛教授及助理教授陸楊龍教授。

長期以來，科學家普遍用經典的「跳躍模型」來解釋離子在固體中的運動，認為離子就像一個登山者，必須耗費「體力」（能量）翻過一座座靜止不動的「山峰」（勢壘），才能從一個位置移動到另一個位置。然而，研究團隊通過先進的機器學習分子動力學模擬發現，這種靜態模型未能反映微觀世界的真實情況。在超離子導體（一種離子擴散率極高的固體材料）中，原子並不是靜止不動的，而是時刻處於複雜的振動之中。

研究團隊以經典的超離子晶體–碲化銀（α-Ag2Te）為例，發現離子的快速遷移實際上是由兩種不同類型的集體振動（聲子）共同完成的。首先，不穩定的集體振動模式會產生不可逆的原子位移，直接打破局部離子的平衡狀態，使離子偏離原本的位置，從而啟動跳躍過程。同時，所有的原子也在進行有規律的穩定振動。這種穩定–不穩定模式的協同作用可以進一步擴大陰–陽離子間的距離，從而引發陰–陽離子對的分離。研究團隊解釋，離子傳輸是這兩種振動模式協同作用的結果，不穩定的集體模式負責引入不可逆位移來啟動跳躍，而穩定模式負責配合製造有效陰–陽離子對的分離，兩者缺一不可。

基於這項新發現，研究團隊進一步提出一種嶄新的材料設計策略：透過引入缺陷以提升離子擴散性能。模擬數據表明，當在碲化銀中引入10%的空位缺陷後，不穩定模式的佔比顯著增加，它們不僅提供了更多的跳躍機會，還加強了與穩定模式的配合。另外，在500 K的溫度下，銀離子的擴散速率幾乎翻了一倍（從0.84×10^-5 cm²/s提升至1.54×10^-5 cm²/s），顯示此策略在應用上具備相當潛力。

該研究的另一貢獻是建立了一個更加廣泛的物理模型來預測離子擴散行為。傳統的反應擴散模型（Arrhenius equation）主要關注溫度對跨越能壘的影響，而研究團隊提出了一個基於「不穩定模式比例」的物理模型。該模型不僅能直接量化晶格振動狀態對離子擴散的影響，還能精準預測不同缺陷濃度、不同熱力學條件下的離子擴散係數，為理解複雜環境下的離子傳輸提供了更通用的理論工具。

周教授表示：「這項研究在理論物理層面成功架起了微觀原子振動與宏觀物質傳輸之間的橋樑，更具有重要的工程應用價值。它向材料科學家展示了一條清晰的路徑：想要設計充電更快的固態電池或效率更高的熱電材料，關鍵在於調控材料的振動譜，通過精心設計的材料工程（例如引入空位缺陷）來激發特定的集體振動。這一發現有望加速全固態鋰電池、鈉電池以及新型熱電轉換器件的研發進程，為清潔能源技術的普及注入新動力。」