用于能量存储和电子产品的更快薄膜器件

德国【guó】哈雷(萨勒)马克斯·普朗克微【wēi】结【jié】构物【wù】理研【yán】究所、英国剑桥【qiáo】大【dà】学和宾夕法尼亚大学的国际研究团队首次实现了单晶T -Nb 2 O 5薄膜二维(2D)垂直离【lí】子传输通【tōng】道，通过锂离【lí】子【zǐ】嵌入二【èr】维【wéi】通道，导致【zhì】快【kuài】速【sù】、巨大的绝【jué】缘【yuán】体-金属转变。

自【zì】 20 世纪 40 年【nián】代以来，科学家们一【yī】直在【zài】探索使【shǐ】用铌氧化物【wù】，特别是一种称为T -Nb 2 O 5的铌氧化物，来制【zhì】造【zào】更高效的电【diàn】池【chí】。这种【zhǒng】独特的材【cái】料因其【qí】能够让锂【lǐ】离子(使电池工作的【de】微小带电【diàn】粒【lì】子)在其中快速【sù】移动而闻名。这些【xiē】锂离子移动得越快，电池充电【diàn】的速度就越快。

(资料图)

然而，挑战始【shǐ】终是将这种【zhǒng】铌氧化【huà】物材料【liào】生【shēng】长【zhǎng】成薄而平坦的层或【huò】“薄膜”，其【qí】质量足够高以用于实际应用。这个问题源于T -Nb 2 O 5的复杂【zá】结【jié】构【gòu】以及氧化铌【ní】的许多相【xiàng】似形式或多晶【jīng】型【xíng】物的存在。

现【xiàn】在，在《自然材料【liào】》杂志上发【fā】表的一篇论【lùn】文中，来自剑桥大【dà】学马【mǎ】克斯·普朗克微结构【gòu】物理研究所和宾【bīn】夕法尼亚大学的【de】研究【jiū】人【rén】员【yuán】成功展示了T -Nb 2 O 5的高质【zhì】量单【dān】晶薄膜【mó】的生长，以【yǐ】这样的方式排列，使得锂离子可以沿着垂直【zhí】离【lí】子传输通道移动得更快。

T -Nb 2 O 5膜在Li插入初【chū】始绝缘【yuán】膜的早期阶段【duàn】经历显着的电学【xué】变化【huà】。这是一个【gè】巨大的转变——材料的电【diàn】阻率降低【dī】了 1000 亿倍。研究【jiū】团队通过【guò】改【gǎi】变“栅”电极(控制器【qì】件中离【lí】子流动的组件【jiàn】)的化学成分，进一步证【zhèng】明了薄膜器【qì】件的可调和低【dī】电压操作【zuò】，进【jìn】一步扩展了潜在的应用。

马克斯普朗克微结构【gòu】物【wù】理研究所团队实现单【dān】晶【jīng】T -Nb 2 O 5的生长薄膜，并展示了锂离子嵌入如何显着【zhe】提高【gāo】其【qí】电导【dǎo】率。与剑桥大学的研究小组【zǔ】一起，随着【zhe】锂离子浓【nóng】度的【de】变【biàn】化【huà】，发现了材料结构中多个以前【qián】未知的转变【biàn】。这些转变【biàn】改变了材料的【de】电【diàn】子特性，使其从绝缘体【tǐ】转变【biàn】为金属，这意味着它从【cóng】阻【zǔ】止电流变为传导【dǎo】电流。宾夕法尼亚大学的研究人员合理化【huà】了【le】他们观察到的多个相变【biàn】，以【yǐ】及这些相与【yǔ】锂离子浓度及其【qí】在晶体结构内【nèi】的排【pái】列的关系。

这些成果只有通过三【sān】个具有不同专业【yè】的国【guó】际【jì】研究小【xiǎo】组【zǔ】之间【jiān】的协同作用才【cái】能取得成功：马克斯【sī】·普朗克微【wēi】结【jié】构物理研究所的薄膜、剑桥大【dà】学的电池【chí】以【yǐ】及宾夕法尼亚大学的理论。

马克斯·普朗克研究【jiū】所【suǒ】的【de】第一作者 Hyeon Han 表示：“通过利用T -Nb 2 O 5进行巨大绝缘体-金属【shǔ】转变的潜力，我【wǒ】们为探索【suǒ】下一代电子和储能解决【jué】方【fāng】案【àn】开【kāi】辟了一条令人【rén】兴奋的途径【jìng】。”微观【guān】结构【gòu】物理学【xué】。

“我【wǒ】们所做的是找到一种在不破坏【huài】T -Nb 2 O 5薄【báo】膜晶体结构的情【qíng】况下【xià】移动【dòng】锂离子的方法【fǎ】，这意味着【zhe】离子【zǐ】可以明显更快地移【yí】动。”宾夕法尼亚【yà】大学。“这种巨【jù】大的转变带来【lái】了一系列潜【qián】在的应【yīng】用，从高【gāo】速计算到节能照明等等。”

剑桥大学的 Clare P. Gray 评【píng】论道：“控制这些薄膜【mó】方向的能力使【shǐ】我们【men】能够探索这类技术上重【chóng】要的材料中的各向异性传【chuán】输【shū】，这对于我们理解这【zhè】些材【cái】料【liào】的运【yùn】作【zuò】方式至关重要。”

马【mǎ】克斯【sī】·普朗克微观结构物理研究所的 Stuart SP Parkin 表示：“这项研究证明了跨学科实【shí】验【yàn】理论【lùn】合作的【de】力量和永不满足的科【kē】学好【hǎo】奇心。” “我【wǒ】们对T -Nb 2 O 5和类似【sì】复杂材料的理解得到【dào】了显着增强【qiáng】，这使我们【men】希望通【tōng】过【guò】利用超越当今基于【yú】电荷的电【diàn】子学的非常有【yǒu】趣的离子电子学领域【yù】来实现更【gèng】加可持续和【hé】高效的【de】未来。”