Блог

Aug 13, 2023

Прорыв в ионтронике: более быстрые тонкопленочные устройства для улучшения батарей и передовых вычислений

Автор: Институт физики микроструктур Макса Планка, 13 августа 2023 г. Быстрая миграция ионов лития вдоль двумерных вертикальных каналов тонкой пленки T-Nb2O5 приводит к колоссальному переходу изолятор-металл.

Автор: Институт физики микроструктур Макса Планка, 13 августа 2023 г.

Быстрая миграция ионов Li вдоль двумерных вертикальных каналов тонкой пленки T-Nb2O5 приводит к колоссальному переходу диэлектрик-металл. Синие и фиолетовые многогранники обозначают нелитированную и литированную решетки T-Nb2O5 соответственно. Ярко-зеленые сферы представляют ионы Li. Фото: MPI физики микроструктуры, Патрисия Бондиа.

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.

Исследователи первыми создали тонкие пленки T-Nb2O5, которые обеспечивают более быстрое движение литий-ионных аккумуляторов. Это достижение, обещающее более эффективные батареи и достижения в области вычислений и освещения, знаменует собой значительный шаг вперед в ионтронике.

Международная исследовательская группа, в которую входят представители Института физики микроструктур Макса Планка, Галле (Заале), Германия, Кембриджского университета, Великобритания, и Пенсильванского университета, США, сообщила о важном прорыве в науке о материалах. Они впервые реализовали монокристаллические тонкие пленки T-Nb2O5, демонстрирующие двумерные (2D) вертикальные каналы переноса ионов. Это приводит к быстрому и значительному переходу изолятор-металл за счет интеркаляции литий-иона в 2D-каналы.

С 1940-х годов ученые исследовали потенциал оксида ниобия, в частности его формы, известной как T-Nb2O5, для повышения эффективности аккумуляторов. Этот уникальный материал обладает способностью быстро облегчать движение ионов лития, которые являются заряженными частицами, необходимыми для функционирования аккумуляторов. Более быстрое движение ионов лития приводит к более быстрой зарядке аккумулятора.

Однако выращивание этого материала из оксида ниобия в тонкие высококачественные пленки для практического применения всегда представляло собой серьезную проблему. Это связано со сложной структурой T-Nb2O и существованием множества подобных форм или полиморфов оксида ниобия.

Хён Хан и Стюарт Паркин перед системой импульсного лазерного осаждения (Pascal Co., Ltd., Ибараки, Япония) в Институте физики микроструктур Макса Планка, которая использовалась для создания монокристаллических пленок T-Nb2O5, использованных в исследовании. Фото: MPI физики микроструктур, Эрик Гейслер.

Теперь в статье, опубликованной 27 июля в журнале Nature Materials, исследователи из Института физики микроструктур Макса Планка, Кембриджского университета и Пенсильванского университета успешно продемонстрировали рост высококачественных монокристаллических тонких пленок. T-Nb2O5, ориентированный таким образом, что ионы лития могут двигаться 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.