673886040@qq.com
Прорыв Iontronics: более быстрые тонкопленочные устройства для улучшенных аккумуляторов и передовых
Исследователи первыми создали тонкие пленки T-Nb2O5, которые обеспечивают более быстрое движение литий-иона. Это достижение, обещающее более эффективные батареи и достижения в области вычислений и освещения, знаменует собой значительный шаг вперед в области ионной электроники.
Международная исследовательская группа, состоящая из сотрудников Института физики микроструктур имени Макса Планка, Галле (Заале), Германия, Кембриджского университета, Великобритания, и Пенсильванского университета, США, сообщила о важном прорыве в материаловедении. Они добились первой реализации монокристаллических тонких пленок T-Nb2O5, демонстрирующих двумерные (2D) вертикальные каналы переноса ионов. Это приводит к быстрому и значительному переходу изолятор-металл за счет интеркаляции литий-иона в двумерных каналах.
С 1940-х годов ученые исследовали потенциал оксида ниобия, в частности формы оксида ниобия, известной как T-Nb2O5, для повышения эффективности батарей. Этот уникальный материал обладает способностью быстро облегчать движение ионов лития, которые являются заряженными частицами, необходимыми для работы батарей. Более быстрое движение ионов лития приводит к более быстрой зарядке аккумулятора.
Вызов и прорыв
Однако выращивание этого материала оксида ниобия в тонкие высококачественные пленки для практического применения всегда представляло серьезную проблему. Это связано со сложной структурой T-Nb2O и существованием множества подобных форм или полиморфов оксида ниобия.
Теперь, в статье, опубликованной 27 июля в журнале Nature Materials, исследователи из Института физики микроструктур Макса Планка, Кембриджского и Пенсильванского университетов успешно продемонстрировали рост высококачественных монокристаллических тонких пленок из T-Nb2O5, ориентированный таким образом, что ионы лития могут двигаться еще быстрее по вертикальным ионно-транспортным каналам.
Наблюдения и последствия
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 продемонстрировала перестраиваемую работу тонкопленочных устройств при низком напряжении, изменив химический состав «затворного» электрода, компонента, который управляет потоком ионов в устройстве, что еще больше расширяет потенциальные области применения.
Группа Института физики микроструктур Макса Планка осуществила рост монокристаллических тонких пленок T-Nb2O5 и показала, как интеркаляция ионов лития может резко увеличить их электропроводность. Совместно с группой из Кембриджского университета были обнаружены множественные 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 блокирования электрического тока к его проводимости. Исследователи из Университета Пенсильвании рационализировали наблюдаемые ими множественные фазовые переходы, а также то, как эти фазы могут быть связаны с концентрацией ионов лития и их расположением в кристаллической структуре.
Сотрудничество и перспективы на будущее
Успех этого исследования зависел от совместных усилий трех международных групп, каждая из которых внесла свой уникальный опыт: тонкие пленки из Института физики микроструктур Макса Планка, батареи из Кембриджского университета и теоретические идеи из Пенсильванского университа.
«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. .
«Мы нашли способ перемещать ионы лития таким образом, чтобы не нарушать кристаллическую структуру тонких пленок T-Nb2O5, что означает, что ионы могут двигаться значительно быстрее», — говорит Эндрю Рапп из Пенсильванского университета. . «Этот резкий сдвиг открывает ряд потенциальных приложений, от высокоскоростных вычислений до энергоэффективного освещения и многого другого».
Клэр П. Грей из Кембриджского университета комментирует: «Возможность контролировать ориентацию этих пленок позволяет нам исследовать анизотропный перенос в этом технологически важном классе материалов, что имеет основополагающее значение для нашего понимания того, как эти материалы работают».
«Это исследование является свидетельством силы междисциплинарного сотрудничества теории экспериментов и ненасытного научного любопытства», — говорит Стюарт С. П. Паркин из Института физики микроструктур Макса Планка. «Наше понимание T-Nb2O5 и подобных сложных материалов значительно улучшилось, и мы надеемся на более устойчивое и эффективное будущее, используя преимущества очень интересной области ионтроники, которая выходит за рамки сегодняшней электроники на основе заряда».
Ссылка: «Ионтроника лития в монокристаллических тонких пленках T-Nb2O5 с вертикальными ионными транспортными каналами» Хён Хан, Квентин Жаке, Чжэнь Цзян, Фархин Н. Сайед, Джэ-Чун Чон, Арпит Шарма, Аарон М. Шенклер, Арвин Какекхани , Хольгер Л. Мейерхейм, Джучеол Парк, Санг Йол Нам, Кент Дж. Гриффит, Лаура Симонелли, Эндрю М. Рапп, Клэр П. Грей и Стюарт С. П. Паркин, 27 июля 2023 г., Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01612-2
Это исследование было поддержано исследовательской и инновационной программой Horizon 2020 Европейского Союза (грант № 737109); профессура Александра фон Гумбольдта, присужденная SPPP; Министерство энергетики США, Управление науки, фундаментальные энергетические науки (награда № DE-SC0019281); проект CATMAT Института Фарадея (FIRG016); Управление военно-морских исследований (грант N00014-20-1-2701); Национальный энергетический исследовательский научно-вычислительный центр Министерства энергетики США и Управление модернизации высокопроизводительных вычислений (HPCMO) Министерства обороны США.
