Более быстрые тонкопленочные устройства для хранения энергии

Международная группа обнаружила новые тонкие пленки монокристаллических оксидов с быстрыми и резкими изменениями электрических свойств за счет интеркаляции литий-ионов через специально разработанные каналы ионного транспорта.

Институт физики микроструктур Макса Планка

изображение: Быстрая миграция ионов Li вдоль 2D вертикальных каналов тонкой пленки T-Nb2O5 приводит к колоссальному переходу изолятор-металл. Синие и фиолетовые многогранники обозначают нелитированную и литированную решетки T-Nb2O5 соответственно. Ярко-зеленые сферы представляют ионы Li.посмотреть больше

Фото: MPI физики микроструктуры, Патрисия Бондиа.

Международная исследовательская группа из Института физики микроструктур Макса Планка, Галле (Заале), Германия, Кембриджского университета, Великобритания и Пенсильванского университета, США, сообщила о первой реализации монокристаллических тонких пленок T-Nb2O5, имеющих двумерную структуру. (2D) вертикальные каналы транспорта ионов, что приводит к быстрому и колоссальному переходу изолятор-металл посредством интеркаляции ионов лития через 2D-каналы.

С 1940-х годов ученые изучают возможность использования оксида ниобия, в частности формы оксида ниобия, известной как T-Nb2O5, для создания более эффективных батарей. Этот уникальный материал известен своей способностью позволять ионам лития, крошечным заряженным частицам, которые обеспечивают работу батарей, быстро перемещаться внутри него. Чем быстрее эти ионы лития могут двигаться, тем быстрее можно будет зарядить аккумулятор.

Однако задача всегда заключалась в том, чтобы вырастить этот материал из оксида ниобия в тонкие плоские слои или «пленки», которые имеют достаточно высокое качество, чтобы их можно было использовать в практических целях. Эта проблема связана со сложной структурой T-Nb2O5 и существованием множества подобных форм или полиморфов оксида ниобия.

Теперь в статье, опубликованной вПриродные материалыИсследователи из Института физики микроструктур Макса Планка, Кембриджского и Пенсильванского университетов успешно продемонстрировали рост высококачественных монокристаллических тонких пленок T-Nb2O5, ориентированных таким образом, что ионы лития могут перемещаться. еще быстрее по вертикальным каналам ионного транспорта.

Пленки T-Nb2O5 претерпевают значительные электрические изменения на ранней стадии внедрения Li в первоначально изолирующие пленки. Это драматический сдвиг — удельное сопротивление материала уменьшается в 100 миллиардов раз. Исследовательская группа также демонстрирует настраиваемую работу тонкопленочных устройств при низком напряжении, изменяя химический состав «затворного» электрода, компонента, который контролирует поток ионов в устройстве, что еще больше расширяет потенциальные возможности применения.

Группа Института физики микроструктур Макса Планка реализовала рост монокристаллических тонких пленок T-Nb2O5 и показала, как интеркаляция ионов лития может значительно увеличить их электропроводность. Совместно с группой Кембриджского университета были обнаружены многочисленные ранее неизвестные переходы в структуре материала при изменении концентрации ионов лития. Эти переходы изменяют электронные свойства материала, позволяя ему превратиться из изолятора в металл, а это означает, что он переходит от блокировки электрического тока к его проведению. Исследователи из Пенсильванского университета объяснили наблюдаемые ими множественные фазовые переходы, а также то, как эти фазы могут быть связаны с концентрацией ионов лития и их расположением внутри кристаллической структуры.

Эти результаты могли быть успешными только благодаря синергии между тремя международными группами с разными специальностями: тонкими пленками из Института физики микроструктур Макса Планка, батареями из Кембриджского университета и теорией из Пенсильванского университета.

«Используя потенциал T-Nb2O5 для колоссальных переходов изолятор-металл, мы открыли захватывающий путь для исследования электроники следующего поколения и решений для хранения энергии», — говорит первый автор Хён Хан из Института физики микроструктур Макса Планка. .