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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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, (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.

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають