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Avance de la iontrónica: dispositivos de película delgada más rápidos para baterías mejoradas y comp
Un equipo internacional encuentra nuevas películas delgadas de óxido monocristalino con cambios rápidos y dramáticos en las propiedades eléctricas a través de la intercalación de iones de litio a través de canales de transporte iónico diseñados.
Los investigadores han sido pioneros en la creación de películas delgadas de T-Nb2O5 que permiten un movimiento más rápido de iones de litio. Este logro, que promete baterías más eficientes y avances en computación e iluminación, marca un avance significativo en la iontrónica.
Un equipo de investigación internacional, integrado por miembros del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, Halle (Saale), Alemania, la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y la Universidad de Pensilvania, EE. UU., ha informado de un importante avance en la ciencia de los materiales. Lograron la primera realización de películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5, que exhiben canales de transporte iónico verticales bidimensionales (2D). Esto da como resultado una transición rápida y significativa entre el aislador y el metal a través de la intercalación de iones de litio en los canales 2D.
Desde la década de 1940, los científicos han investigado el potencial del óxido de niobio, específicamente una forma de óxido de niobio conocida como T-Nb2O5, para mejorar la eficiencia de las baterías. Este material único posee la capacidad de facilitar rápidamente el movimiento de los iones de litio, que son las partículas cargadas integrales para el funcionamiento de las baterías. Un movimiento más rápido de iones de litio se traduce en una carga de batería más rápida.
El desafío y el avance
Sin embargo, hacer crecer este material de óxido de niobio en películas delgadas y de alta calidad para usar en aplicaciones prácticas siempre ha planteado un desafío importante. Esto se deriva de la estructura compleja de T-Nb2O y la existencia de múltiples formas similares, o polimorfos, de óxido de niobio.
Ahora, en un artículo publicado el 27 de julio en la revista Nature Materials, investigadores del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras de la Universidad de Cambridge y la Universidad de Pensilvania han demostrado con éxito el crecimiento de películas delgadas monocristalinas de alta calidad de T-Nb2O5, alineado de tal manera que los iones de litio pueden moverse aún más rápido a lo largo de los canales de transporte iónico verticales.
Observaciones e Implicaciones
Las películas de T-Nb2O5 experimentan un cambio eléctrico significativo en una etapa temprana de la inserción de Li en las películas inicialmente aislantes. Este es un cambio dramático: la resistividad del material disminuye en un factor de 100 mil millones. El equipo de investigación demuestra aún más el funcionamiento sintonizable y de bajo voltaje de los dispositivos de película delgada al alterar la composición química del electrodo de "puerta", un componente que controla el flujo de iones en un dispositivo, lo que amplía aún más las aplicaciones potenciales.
El grupo del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras se dio cuenta del crecimiento de las películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5 y mostró cómo la intercalación de iones de litio puede aumentar drásticamente su conductividad eléctrica. Junto con el grupo de la Universidad de Cambridge, se descubrieron múltiples transiciones previamente desconocidas en la estructura del material a medida que cambiaba la concentración de iones de litio. Estas transiciones cambian las propiedades electrónicas del material, permitiéndole pasar de ser un aislante a un metal, es decir, pasa de bloquear la corriente eléctrica a conducirla. Investigadores de la Universidad de Pensilvania racionalizaron las múltiples transiciones de fase que observaron, así como también cómo estas fases podrían estar relacionadas con la concentración de iones de litio y su disposición dentro de la estructura cristalina.
Colaboración y perspectivas de futuro
El éxito de esta investigación dependió del esfuerzo de colaboración de los tres grupos internacionales, cada uno de los cuales contribuyó con su experiencia única: películas delgadas del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, baterías de la Universidad de Cambridge y conocimientos teóricos de la Universidad de Pensilvania.
"Al aprovechar el potencial de T-Nb2O5 para experimentar transiciones colosales de aislador-metal, hemos desbloqueado una vía emocionante para la exploración de soluciones de almacenamiento de energía y electrónica de próxima generación", dice el primer autor Hyeon Han del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. .
"Lo que hemos hecho es encontrar una manera de mover los iones de litio de una manera que no altere la estructura cristalina de las películas delgadas de T-Nb2O5, lo que significa que los iones pueden moverse significativamente más rápido", dice Andrew Rappe, de la Universidad de Pensilvania. . “Este cambio dramático permite una variedad de aplicaciones potenciales, desde computación de alta velocidad hasta iluminación de bajo consumo y más”.
Clare P. Gray de la Universidad de Cambridge comenta que "la capacidad de controlar la orientación de estas películas nos permite explorar el transporte anisotrópico en esta clase de materiales tecnológicamente importante, que es fundamental para nuestra comprensión de cómo funcionan estos materiales".
Colaboración y perspectivas de futuro
El éxito de esta investigación dependió del esfuerzo de colaboración de los tres grupos internacionales, cada uno de los cuales contribuyó con su experiencia única: películas delgadas del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, baterías de la Universidad de Cambridge y conocimientos teóricos de la Universidad de Pensilvania de.
"Al aprovechar el potencial de T-Nb2O5 para experimentar transiciones colosales de aislador-metal, hemos desbloqueado una vía emocionante para la exploración de soluciones de almacenamiento de energía y electrónica de próxima generación", dice el primer autor Hyeon Han del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. .
"Lo que hemos hecho es encontrar una manera de mover los iones de litio de una manera que no altere la estructura cristalina de las películas delgadas de T-Nb2O5, lo que significa que los iones pueden moverse significativamente más rápido", dice Andrew Rappe, de la Universidad de Pensilvania. . “Este cambio dramático permite una variedad de aplicaciones potenciales, desde computación de alta velocidad hasta iluminación de bajo consumo y más”.
Clare P. Gray de la Universidad de Cambridge comenta que "la capacidad de controlar la orientación de estas películas nos permite explorar el transporte anisotrópico en esta clase de materiales tecnológicamente importante, que es fundamental para nuestra comprensión de cómo funcionan estos materiales".
“Esta investigación es un testimonio del poder de una colaboración interdisciplinaria de teoría y experimento y una curiosidad científica insaciable”, dice Stuart S. P. Parkin, del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. "Nuestra comprensión de T-Nb2O5 y materiales complejos similares se ha mejorado sustancialmente, lo que nos lleva a un futuro más sostenible y eficiente, aprovechando el muy interesante campo de la iontrónica que va más allá de la electrónica actual basada en carga".
Referencia: "Iontrónica de litio en películas delgadas de T-Nb2O5 monocristalinas con canales de transporte iónico verticales" por Hyeon Han, Quentin Jacquet, Zhen Jiang, Farheen N. Sayed, Jae-Chun Jeon, Arpit Sharma, Aaron M. Schankler, Arvin Kakekhani , Holger L. Meyerheim, Jucheol Park, Sang Yeol Nam, Kent J. Griffith, Laura Simonelli, Andrew M. Rappe, Clare P. Gray y Stuart S. P. Parkin, 27 de julio de 2023, Nature Materials.
