Low-temperature diffusion in energy and semiconductor materials: A brief review

Автор(и)

  • Vasileios Balaouras Department of Electrical and Computer Engineering, University of Thessaly, Volos 38333, Greece
  • Ioannis Goulatis Department of Electrical and Computer Engineering, University of Thessaly, Volos 38333, Greece
  • Alexander Chroneos Department of Electrical and Computer Engineering, University of Thessaly, Volos 38333, Greece
    Department of Materials, Imperial College London, London SW7 2BP, United Kingdom
  • Yerassimos Panayiotatos Department of Mechanical Engineering, University of West Attica, Athens 12241, Greece

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0043120

Ключові слова:

diffusion, doping, ionic transport

Анотація

Ключовим фізичним механізмом, важливим при розгляді енергетичних або напівпровідникових матеріалів, є дифузія. Висока дифузійність може обмежувати застосування напівпровідникових матеріалів у функціональних наноелектронних пристроях, тоді як вона є необхідною умовою для енергетичних матеріалів, що використовуються в акумуляторах та твердооксидних паливних елементах. Зазвичай, дифузія активується термічно та регулюється законом Ареніуса. Лише в кількох системах спостерігалися дуже високі коефіцієнти дифузії з низькими енергіями активації дифузії (менше ніж 0,1 еВ). Це, своєю чергою, обумовлює атомну дифузію навіть за низьких температур. Обговорено репрезентативні приклади таких систем та наслідки дифузії за низьких температур. Основна увага приділяється механізмам низькотемпературної дифузії для різних типів матеріалів (оксиди та напівпровідники), зокрема матеріали для різних застосувань, таких як паливні елементи, батареї, наноелектронні та надпровідні пристрої. Цей короткий огляд завершується майбутніми перспективами та розглядом останніх досягнень.

Посилання

1. D. J. L. Brett, A. Atkinson, N. P. Brandon, and S. J. Skinner, Chem. Soc. Rev. 37, 1568 (2008). https://doi.org/10.1039/b612060c

2. C. Jiang, C. R. Stanek, K. E. Sickafus, and B. P. Uberuaga, Phys. Rev. B 79, 104203 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.104203

3. R. V. Vovk, M. A. Obolenskii, A. A. Zavgorodniy, I. L. Goulatis, V. I. Beletskii, and A. Chroneos, Physica C 469, 203 (2009). https://doi.org/10.1016/j.physc.2009.01.011

4. A. Chroneos, J. Appl. Phys. 107, 076102 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3361115

5. R. Devanathan, W. J. Weber, and G. D. Gale, Energy Environ. Sci. 3, 1551 (2010). https://doi.org/10.1039/c0ee00066c

6. S. C. Lumley, R. W. Grimes, S. T. Murphy, P. A. Burr, A. Chroneos, P. R. Chard-Tuckey, and M. R. Wenman, Acta Mater. 79, 3513 (2014). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.07.019

7. J. Zhu, M. Vasilopoulou, D. Davazoglou, S. Kennou, A. Chroneos, and U. Schwingenschlögl, Sci. Rep. 7, 40882 (2017). https://doi.org/10.1038/srep40882

8. K. Gubaev, E. V. Podryabinkin, G. L. W. Hart, and A. V. Shapeev, Comp. Mater. Sci. 156, 148 (2019). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.09.031

9. A. L. Solovjov, E. V. Petrenko, L. V. Omelchenko, R. V. Vovk, I. L. Goulatis, and A. Chroneos, Sci. Rep. 9, 9274 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-45286-w

10. M. Dahlqvist and J. Rosen, Nanoscale 14,10958 (2022). https://doi.org/10.1039/D2NR02414D

11. H. A. Tahini, A. Chroneos, S. T. Murphy, U. Schwingenschlögl, and R. W. Grimes, J. Appl. Phys. 114, 063517 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4818484

12. R. V. Vovk, N. R. Vovk, G. Ya. Khadzhai, I. L. Goulatis, and A. Chroneos, Solid State Commun. 190, 18 (2014). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2014.04.004

13. A. L. Solovjov, L. Omelchenko, E. Petrenko, R. V. Vovk, V. V. Khotkevych, and A. Chroneos, Sci. Rep. 9, 20424 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-55959-1

14. N. Kuganathan, M. J. D. Rushton, R. W. Grimes, J. A. Kilner, and A. Chroneos, Sci. Rep. 11, 451 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-020-79919-2

15. T. Yadav and S. W. Wang, J. Appl. Phys. 138, 015102 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0274461

16. A. L. Solovjov, M. A. Tkachenko, R. V. Vovk, and A. Chroneos, Physica C 501, 24 (2014). https://doi.org/10.1016/j.physc.2014.03.004

17. N. V. Sarlis and E. S. Skordas, Solid State Ionics 290, 121 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2016.04.016

18. E. Zapata-Solvas, S. R. G. Christopoulos, N. Ni, D. C. Parfitt, D. Horlait, M. E. Fitzpatrick, A. Chroneos, and W. E. Lee, J. Am. Ceram. Soc. 100, 1377 (2017). https://doi.org/10.1111/jace.14742

19. A. L. Solovjov, K. Rogacki, N. Shytov, E. Petrenko, L. Bludova, A. Chroneos, and R. V. Vovk, Phys. Rev. B 111, 174508 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.174508

20. S. A. Bonab, Y. H. Wu, W. J. Song, and M. Yadani-Asrami, Supercond. Sci. Technol. 38, 09LT 01 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6668/ae011e

21. K. Eguchi, T. Setoguchi, T. Inoue, and H. Arai, Solid State Ionics 52, 165 (1992). https://doi.org/10.1016/0167-2738(92)90102-U

22. V. Gil, C. Moure, P. Duran, and J. Tartaj, Solid State Ionics 178, 359 (2007). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2007.02.002

23. T. Mori, R. Buchanan, D. R. Ou, F. Ye, T. Kobayashi, J.-D. Kim, J. Zou, and J. Drennan, J. Solid State Electrochem. 12, 841 (2008). https://doi.org/10.1007/s10008-007-0444-8

24. S. Uhlenbruck, T. Moskalewicz, N. Jordan, H.-J. Penkalla, and H. P. Buchkremer, Solid State Ionics 180, 418 (2009). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2009.01.014

25. K. Sato, J. Phys. Chem. C 119, 5734 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b00155

26. S. Beschnitt, T. Zacherle, and R. A. De Souza, J. Phys. Chem. C 119, 27307 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b09499

27. H. Xu, K. Cheng, M. Chen, L. Zhang, K. Brodersen, and Y. Du, J. Power Sources 441, 227152 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227152

28. A. Chroneos, M. J. D. Rushton, and J. A. Kilner, J. Solid State Electrochem. 29, 4953 (2025). https://doi.org/10.1007/s10008-025-06211-6

29. V. Balaouras, N. Kelaidis, A. Daskalopulu, N. Kuganathan, and A. Chroneos, J. Solid State Electrochem. 29, 3553 (2025). https://doi.org/10.1007/s10008-025-06278-1

30. A. Chroneos, R. W. Grimes, and H. Bracht, J. Appl. Phys. 106, 063707 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3224900

31. C. Monmeyran, I. F. Crowe, R. M. Gwilliam, C. Heidelberger, E. Napolitani, D. Pastor, H. H. Gandhi, E. Mazur, J. Michel, A. M. Agarwal, and L. C. Kimerling, J. Appl. Phys. 123, 161524 (2018). https://doi.org/10.1063/1.4999210

32. D. Dhaliah, Y. Xiong, A. Sipahigil, S. M. Griffin, and G. Hautier, Phys. Rev. Mater. 6, L 053201 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.L053201

33. T. Lühmann, N. Raatz, R. John, M. Lesik, J. Rödiger, M. Portail, D. Wildanger, F. Kleißler, K. Nordlund, A. Zaitsev, J.-F. Roch, A. Tallaire, J. Meijer, and S. Pezzagna, J. Phys. Appl. Phys. 51, 483002 (2018). https://doi.org/10.1088/1361-6463/aadfab

34. P. P. Filippatos, A. Chroneos, and C. A. Londos, J. Appl. Phys. 137, 230701 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0276550

35. P. P. Filippatos, A. Chroneos, and N. Kelaidis, J. Appl. Phys. 138, 094401 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0279139

36. V. Saltas, A. Chroneos, and F. Valianatos, J. Appl. Phys. 123, 161527 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5001755

37. T. Luo, J. P. Toinin, M. Descoins, K. Hoummada, M. Bertoglio, L. Chow, D. Narducci, and A. Portavoce, Scripta Mater. 150, 66 (2018). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.02.037

38. C. H. Chou, A. S. Shih, S. C. Yu, Y. H. Lin, Y. H. Tsai, C. Y. Lin, W. K. Yeh, and C. H. Chien, IEEE Electron Dev. Lett. 39, 1632 (2018). https://doi.org/10.1109/LED.2018.2871714

39. Z. T. Kenzhaev, N. F. Zikrillaev, K. S. Ayupov, K. A. Ismailov, S. V. Koveshnikov, and T. B. Ismailov, Surface Eng. Appl. Electrochem. 59, 858 (2023). https://doi.org/10.3103/S1068375523060108

40. H. A. Tahini, A. Chroneos, S. C. Middleburgh, U. Schwingenschlögl, and R. W. Grimes, J. Mater. Chem. A 3, 3832 (2015). https://doi.org/10.1039/C4TA06210H

41. G. Cannelli, R. Cantelli, F. Cordero, M. Ferretti, and F. Trequattrini, Solid State Commun. 77, 429 (1991). https://doi.org/10.1016/0038-1098(91)90230-S

42. F. Cui, H. Li, L. Jin, and Y. Li, “Nucl. instrum. methods,” Phys. Reb. B 91, 374 (1994). https://doi.org/10.1016/0168-583X(94)96252-9

43. M. Chudy, M. Eisterer, H. Weber, J. Veternikova, S. Sojak, and V. Slugen, Supercond. Sci. Technol. 25, 075017 (2012). https://doi.org/10.1088/0953-2048/25/7/075017

44. J. Veternikova, M. Chudy, V. Slugen, M. Eisterer, H. W. Weber, S. Sojak, M. Petriska, R. Hinca, J. Degmova, and V. Sabelova, J. Fusion Energy 31, 89 (2012). https://doi.org/10.1007/s10894-011-9436-x

45. K. J. Leonard, T. Aytug, A. A. Gapud, F. A. List, N. T. Greenwood, Y. W. Zhang, A. G. Perez-Bergquist, and W. J. Weber, Fusion Sci. Technol. 66, 57 (2014). https://doi.org/10.13182/FST13-735

46. K. J. Leonard, F. A. List, T. Aytug, A. A. Gapud, and J. W. Geringer, Nucl. Mater. Energy 9, 251 (1996). https://doi.org/10.1016/j.nme.2016.03.004

47. S. T. Murphy, J. Phys. Commun. 4, 115003 (2020). https://doi.org/10.1088/2399-6528/abc9a7

48. D. Huang, H. Gu, H. Shang, T. Li, B. Xie, Q. Zou, D. Chen, W. Kan Chu, and F. Ding, Supercond. Sci. Technol. 34, 045001 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6668/abe35f

49. R. L. Gray, M. J. D. Rushton, and S. T. Murphy, Supercond. Sci. Technol. 35, 035010 (2022). https://doi.org/10.1088/1361-6668/ac47dc

50. D. Torsello, D. Gambino, L. Gozzelino, A. Trotta, and F. Laviano, Supercond. Sci. Technol. 36, 014003 (2023). https://doi.org/10.1088/1361-6668/aca369

51. I. Goulatis, A. Daskalopulu, A. L. Solovjov, R. V. Vovk, and A. Chroneos, Low Temp. Phys. 50, 1023 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 1139 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0030420

52. C. Liu, J. Zhang, L. Wang, Y. Shu, and J. Fan, Solid State Ionics 232, 123 (2013). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2012.11.022

53. R. V. Vovk, Y. I. Boiko, V. V. Bogdanov, S. N. Kamchatnaya, I. L. Goulatis, and A. Chroneos, Physica C 536, 26 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physc.2017.04.001

54. K. Hahn, J. Karger, and V. Kukla, Phys. Rev. Lett. 76, 2762 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.2762

55. Y. I. Boiko, V. V. Bogdanov, R. V. Vovk, G. Ya. Khadzhaj, S. N. Kamchatnaya, I. L. Goulatis, and A. Chroneos, Mater. Res. Express 4, 096001 (2017). https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa88f3

56. R. V. Vovk, Z. F. Nazyrov, M. A. Obolenskii, I. L. Goulatis, A. Chroneos, and V. M. Pinto Simoes, Phil. Mag. 91, 2291 (2011). https://doi.org/10.1080/14786435.2011.552893

57. R. V. Vovk, G. Ya Khadzhai, O. V. Dobrovolskiy, S. N. Kamchatna, and A. Chroneos, Mod. Phys. Lett. B 30, 1650188 (2016). https://doi.org/10.1142/S0217984916501888

58. K. Mitsen and O. Ivanenko, Physica C: Superconductivity 408–410, 422 (2004). https://doi.org/10.1016/j.physc.2004.03.017

59. M. J. D. Rushton, A. Chroneos, S. J. Skinner, J. A. Kilner, and R. W. Grimes, Solid State Ionics 230, 37 (2013). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2012.09.015

60. M. J. D. Rushton and A. Chroneos, Sci. Rep. 4, 6068 (2014). https://doi.org/10.1038/srep06068

61. B. C. H. Steele and A. Heinzel, Nature 414, 345 (2001). https://doi.org/10.1038/35104620

62. M. L. Luckyanova, D. Chen, W. Ma, H. L. Tuller, G. Chen, and B. Yildiz, Appl. Phys. Lett. 104, 061911 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4865768

63. M. W. D. Cooper, M. J. D. Rushton, and R. W. Grimes, J. Phys. Cond. Matter 26, 105401 (2014). https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/10/105401

64. F. Chiabrera, I. Garbayo, L. Lopez-Conesa, G. Martin, A. Ruiz-Caridad, M. Walls, L. Ruiz-Gonzalez, A. Kordatos, M. Nunez, A. Morata, S. Estrade, A. Chroneos, F. Peiro, and A. Tarancon, Adv. Mater. 31, 1805360 (2019). https://doi.org/10.1002/adma.201805360

65. G. Dezanneau, J. Hermet, and B. Dupe, Int. J. Hydrogen Energy 37, 8081 (2012). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.11.088

66. R. A. De Souza, A. Ramadan, and S. Horner, Energy Environ. Sci. 5, 5445 (2012). https://doi.org/10.1039/C2EE02508F

67. E. Sediva, D. Bohdasnov, G. F. Harrington, I. Rafalovskyi, J. Drahokoupil, F. Borodavka, P. Marton, and J. Hlinka, ACS Appl. Mater. Inter. 12, 56251 (2020). https://doi.org/10.1021/acsami.0c14249

68. B. Zhu, G. Schusteritsch, W. W. Li, W. D. Xing, R. Yu, C. J. Pickard, and J. L. MacManus-Driscoll, Appl. Phys. Rev. 11, 021420 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0185746

69. A. Kushima and B. Yildiz, J. Mater. Chem. 20, 4809 (2010). https://doi.org/10.1039/c000259c

70. J. Garcia-Barriocanal, A. Rivera-Calzada, M. Varela, Z. Sefrioui, E. Iborra, C. Leon, S. J. Pennycook, and J. Santamaria, Science 321, 676 (2008). https://doi.org/10.1126/science.1156393

71. Y. Yaxuan, Z. Lingfei, Z. Yiyang, Y. Zhuo, L. Wei-Hong, L. Yaru, D. Shi-Xue, L. Min, and W. Yun-Xiao, Adv. Sci. 11, 2410318 (2024). https://doi.org/10.1002/advs.202410318

72. H. Luo, Y. Wang, Y. H. Feng, X. Y. Fan, X. Han, and P. F. Wang, Materials 15, 8166 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15228166

73. A. Belgibayeva, A. M. Rakhatkyzy, M. Kairova, I. Mukushev, N. Issatayev, G. Kalimuldina, A. Nurpeissova, Ya.-K. Sun, and Zh. Bakenov, J. Power Sources 557, 232550 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232550

74. Y. Su, C. Kaipeng, and C. Zhenjiang, “Status and strategies of electrolyte engineering for low-temperature sodium-ion batteries,” J. Mater. Chem. A 12, 13059 (2024). https://doi.org/10.1039/D4TA01400F

75. H. Bai, X. Zhu, H. Ao, G. He, H. Xiao, and Y. Chen, J. Energy Chem. 90, 518 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.11.004

76. Z. Bai, Q. Yao, M. Wang, W. Meng, S. Dou, H. kun Liu, and N. Wang, Adv. Energy Mater. 14, 2303788 (2024). https://doi.org/10.1002/aenm.202303788

77. P. Canepa, G. S. Gautam, D. C. Hannah, R. Malik, M. Liu, K. G. Gallagher, K. A. Persson, and G. Ceder, Chem. Rev. 117, 4287 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00614

78. B. Liu, Q. Zhang, Y. Li, Y. Hao, U. Ali, L. Li, L. Zhang, C. Wang, and Z. Su, CCS Chem. 5, 209 (2023). https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202201776

79. J. Yang, J. Li, W. Gong, and F. Geng, Proc. Natl. Acad. Sci. 118, e2111549118 (2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2111549118

80. Z. L. Xu, J. Park, J. Wang, H. Moon, G. Yoon, J. Lim, Y. J. Ko, S. P. Cho, S. Y. Lee, and K. Kang, Nat. Commun. 12, 3369 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23703-x

81. E. Bruno, S. Mirabella, G. Scapellato, G. Impellizzeri, A. Terrasi, F. Priolo, E. Napolitani, D. De Salvador, M. Mastramatteo, and A. Carnera, Phys. Rev. B 80, 033204 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.033204

82. G. Impellizzeri, S. Boninelli, F. Priolo, E. Napolitani, C. Spinella, A. Chroneos, and H. Bracht, J. Appl. Phys. 109, 113527 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3592962

83. N. A. Stolwijk and L. Lerner, J. Appl. Phys. 110, 033526 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3609070

84. H. Tahini, A. Chroneos, R. W. Grimes, U. Schwingenschlögl, and A. Dimoulas, J. Phys. Cond. Matter 24, 195802 (2012). https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/19/195802

85. A. Chroneos, E. N. Sgourou, C. A. Londos, and U. Schwingenschlögl, Appl. Phys. Rev. 2, 021306 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4922251

86. A. Chroneos and H. Bracht, Appl. Phys. Rev. 1, 011301 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4838215

87. E. Simoen, M. Schaekers, J. B. Liu, J. Luo, C. Zhao, K. Barla, and N. Collaert, Phys. Status Solidi A 213, 2799 (2016). https://doi.org/10.1002/pssa.201600491

88. J. B. Liu, J. Luo, E. Simoen, Y. X. Niu, F. Yang, G. L. Wang, W. W. Wang, D. P. Chen, J. F. Li, C. Zha, and T. C. Ye, ECS J. Solid State Sci. Technol. 5, P315(2016). https://doi.org/10.1149/2.0091606jss

89. J. Kujala, T. Sudkamp, J. Slotte, I. Makkonen, F. Tuomisto, and H. Bracht, J. Phys. Cond. Matter 28, 335801 (2016). https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/33/335801

90. J. K. Prussing, G. Hamdana, D. Bougeard, E. Peiner, and H. Bracht, J. Appl. Phys. 125, 085105 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5066617

91. R. C. Agrawal, K. Kathal, and R. K. Gupta, Solid State Ionics 74, 137 (1994). https://doi.org/10.1016/0167-2738(94)90203-8

92. C. S. Becquart and C. Domain, Phys. Rev. Lett. 97, 196402 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.196402

93. A. H. Sher, J. Appl. Phys. 40, 2600 (1969). https://doi.org/10.1063/1.1658040

94. H. B. Vanfleet, D. L. Decker, and H. R. Curtin, Phys. Rev. B 5, 4849 (1972). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.5.4849

95. H. Bracht, Mater. Sci. Semicond. Process. 7, 113 (2004). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2004.06.001

Downloads

Опубліковано

2026-02-25

Як цитувати

(1)
Vasileios Balaouras, Ioannis Goulatis, Alexander Chroneos, and Yerassimos Panayiotatos, Low-temperature diffusion in energy and semiconductor materials: A brief review , Low Temp. Phys. 52, 366–373, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 409–417, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0043120.

Номер

Том 52 № 4 (2026)

Розділ

Статті

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.