二氧化铈为萤石结构，晶格氧活性较高，容易迁移形成氧空位，因此，氧化铈释放氧和吸收氧（即氧化还原过程）较容易发生，被广泛用作处理汽车尾气的三效催化剂（TWC）材料和贵金属催化剂的活性载体等，长期以来在基础和应用研究上均受到高度重视。氧化铈工作的过程发生四价铈和三价铈之间的转变，相变温度一般很高（>600 K）。为了提高催化剂的性能以及减少汽车冷启动时的废气排放，人们一直在努力降低氧化铈的工作温度。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）白雪冬研究组几年来致力于用原位透射电镜实验方法研究小尺度材料和材料微区的性质，在透射电镜中制作扫描探针，对小尺度材料进行操作和电学测量。在过去几年里，他们利用该仪器在单个纳米结构的性质研究方面取得了系列成果【JACS 131, 62 (2009); JMC 19, 1002 (2009); APL 92, 213105 (2008)等】。在这些工作基础上，最近该研究组开展氧化铈相变的微观动力学过程研究，并取得了进展。他们在透射电镜中设计并构筑电路，在常温环境下对氧化铈薄膜施加偏压，原位观察到从二氧化铈到三氧化二铈的还原过程，撤掉电场，又被氧化生成二氧化铈，该相变过程是可逆的，并能循环进行。

氧化铈的氧化还原过程即是氧空位形成和迁移过程，平衡态下氧化学势是温度和氧分压的函数。当施加偏压时，新的平衡态由氧化学势和电势共同决定。施加偏压的作用是降低氧脱离晶格的势垒，形成氧空位并驱动氧空位迁移。该工作的意义是，除了通常的温度和氧分压参数外，电场作为一个新的参数调节氧化铈相变的微观动力学过程，可有效降低氧化铈的工作温度。这项研究工作以Articles形式发表在JACS 132, 4197-4201 (2010)上。该工作是由王恩哥院士和他的博士研究生高鹏和符汪洋、康振川博士、王文龙副研究员、白雪冬研究员完成的。

该研究组在上述工作基础上，还研究了氧化铈薄膜电阻开关效应的微观机制。他们在透射电镜中原位记录了电诱导氧空位迁移过程中氧化铈结构的变化，给出了氧空位迁移导致电阻变化的直接实验证据。详细研究工作发表在Micron 41, 301-305 (2010)上。

这些工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部和中国科学院的资助。

　　图1 实验电路示意图及原位透射电镜照片　

　　图2 电场驱动氧化铈氧空位迁移　

　　图3 电场驱动氧化铈氧化还原过程的物理机制　

　　图4 氧化铈薄膜的电阻开关效应　

　　图5 氧空位迁移导致电阻变化的机理