二氧化鈰為螢石結(jié)構(gòu)，晶格氧活性較高，容易遷移形成氧空位，因此，氧化鈰釋放氧和吸收氧（即氧化還原過程）較容易發(fā)生，被廣泛用作處理汽車尾氣的三效催化劑（TWC）材料和貴金屬催化劑的活性載體等，長期以來在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究上均受到高度重視。氧化鈰工作的過程發(fā)生四價鈰和三價鈰之間的轉(zhuǎn)變，相變溫度一般很高（>600 K）。為了提高催化劑的性能以及減少汽車冷啟動時的廢氣排放，人們一直在努力降低氧化鈰的工作溫度。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）白雪冬研究組幾年來致力于用原位透射電鏡實驗方法研究小尺度材料和材料微區(qū)的性質(zhì)，在透射電鏡中制作掃描探針，對小尺度材料進行操作和電學測量。在過去幾年里，他們利用該儀器在單個納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)研究方面取得了系列成果【JACS 131, 62 (2009); JMC 19, 1002 (2009); APL 92,213105 (2008)等】。在這些工作基礎(chǔ)上，最近該研究組開展氧化鈰相變的微觀動力學過程研究，并取得了進展。他們在透射電鏡中設(shè)計并構(gòu)筑電路，在常溫環(huán)境下對氧化鈰薄膜施加偏壓，原位觀察到從二氧化鈰到三氧化二鈰的還原過程，撤掉電場，又被氧化生成二氧化鈰，該相變過程是可逆的，并能循環(huán)進行。
氧化鈰的氧化還原過程即是氧空位形成和遷移過程，平衡態(tài)下氧化學勢是溫度和氧分壓的函數(shù)。當施加偏壓時，新的平衡態(tài)由氧化學勢和電勢共同決定。施加偏壓的作用是降低氧脫離晶格的勢壘，形成氧空位并驅(qū)動氧空位遷移。該工作的意義是，除了通常的溫度和氧分壓參數(shù)外，電場作為一個新的參數(shù)調(diào)節(jié)氧化鈰相變的微觀動力學過程，可有效降低氧化鈰的工作溫度。這項研究工作以Articles形式發(fā)表在JACS 132, 4197-4201 (2010)上。該工作是由王恩哥院士和他的博士研究生高鵬和符汪洋、康振川博士、王文龍副研究員、白雪冬研究員完成的。
該研究組在上述工作基礎(chǔ)上，還研究了氧化鈰薄膜電阻開關(guān)效應(yīng)的微觀機制。他們在透射電鏡中原位記錄了電誘導氧空位遷移過程中氧化鈰結(jié)構(gòu)的變化，給出了氧空位遷移導致電阻變化的直接實驗證據(jù)。詳細研究工作發(fā)表在Micron 41,301-305 (2010)上。
這些工作得到了國家自然科學基金委、國家科技部和中國科學院的資助。