用于能量存储和电子产品的更快薄膜器件

德国哈雷(萨勒)马【mǎ】克【kè】斯·普朗克微结【jié】构物【wù】理研究所、英国剑桥大学和宾夕法尼亚大学的国际研究团队【duì】首次实现【xiàn】了单晶T -Nb 2 O 5薄膜二【èr】维(2D)垂【chuí】直【zhí】离子传输通【tōng】道【dào】，通【tōng】过锂【lǐ】离子嵌入二维通道，导致快速、巨大的绝缘体【tǐ】-金属转变。

自 20 世纪 40 年代以来，科学家们一直在探索使用铌氧化物，特别是一【yī】种称为【wéi】T -Nb 2 O 5的【de】铌【ní】氧化物【wù】，来制【zhì】造更高【gāo】效的电池。这【zhè】种【zhǒng】独特的材料因其【qí】能【néng】够【gòu】让锂离子(使【shǐ】电【diàn】池工作的微【wēi】小带电【diàn】粒子【zǐ】)在【zài】其中快速移动而闻名。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，挑战始终是将这种铌氧【yǎng】化【huà】物材料【liào】生长【zhǎng】成【chéng】薄而平坦【tǎn】的层或“薄膜”，其质量足够高【gāo】以用于实际应用【yòng】。这【zhè】个【gè】问题源于【yú】T -Nb 2 O 5的【de】复杂结构以及【jí】氧化铌的许【xǔ】多相似【sì】形式或多晶型物的存在。

现在，在《自然材料》杂志上发表的【de】一篇论文中，来自剑桥大学【xué】马【mǎ】克斯·普【pǔ】朗克微结构【gòu】物理研究所和宾【bīn】夕【xī】法尼亚大学【xué】的研究人员成功展【zhǎn】示了T -Nb 2 O 5的高质量单晶薄【báo】膜的生长【zhǎng】，以这【zhè】样的【de】方式排列，使得【dé】锂离子可以【yǐ】沿着垂直离子传输通道移动得更【gèng】快。

T -Nb 2 O 5膜【mó】在Li插【chā】入初始【shǐ】绝缘膜【mó】的早期阶段经【jīng】历显着的电学变化。这是一个巨大的转【zhuǎn】变——材料的电阻率降低了【le】 1000 亿【yì】倍。研究团队【duì】通【tōng】过改变“栅”电极(控制【zhì】器【qì】件【jiàn】中离子流动的组【zǔ】件【jiàn】)的化学成分，进一步证明了薄膜器件的可【kě】调和低电【diàn】压操作，进一【yī】步扩展了潜在的应【yīng】用。

马克斯普【pǔ】朗克微结【jié】构物理研【yán】究所团队【duì】实现单晶T -Nb 2 O 5的生长薄膜，并展示了锂离子【zǐ】嵌【qiàn】入如何【hé】显着提高【gāo】其电导率。与【yǔ】剑桥大学的研究小组一起【qǐ】，随着锂离【lí】子浓度的变化，发现了【le】材料结【jié】构中多个以前未知的转变。这【zhè】些转变改变了材料【liào】的电【diàn】子特性，使其从绝缘体转【zhuǎn】变为金【jīn】属，这意味着它从阻止电流变为传导电流。宾夕法尼【ní】亚大学的研究人员合【hé】理化【huà】了他们【men】观察到的多个相变，以【yǐ】及这【zhè】些相与锂离【lí】子浓度及【jí】其在晶体【tǐ】结构内的排列【liè】的关系。

这些成果只【zhī】有通过三个具有不【bú】同【tóng】专业的【de】国际研究小组之间的协同作【zuò】用才能取得成功：马克斯·普【pǔ】朗克微结构【gòu】物理研究所【suǒ】的薄膜、剑桥【qiáo】大学【xué】的电池以及宾夕法尼亚大【dà】学【xué】的理【lǐ】论【lùn】。

马【mǎ】克【kè】斯·普朗克【kè】研究所【suǒ】的第一作者 Hyeon Han 表示【shì】：“通过利【lì】用T -Nb 2 O 5进行【háng】巨大绝缘体-金属转变的【de】潜力，我们为探索【suǒ】下一代电子和储能解决方案开辟了一条令人【rén】兴奋的【de】途径。”微观结构物理学【xué】。

“我【wǒ】们所做的是找到一【yī】种在不【bú】破【pò】坏T -Nb 2 O 5薄膜晶【jīng】体结构的情况下移动【dòng】锂【lǐ】离【lí】子的方法，这意味着【zhe】离子可【kě】以明显更快地移动。”宾夕法尼亚大【dà】学【xué】。“这【zhè】种巨大的转变带来了一系列【liè】潜在的应用，从高速计算到节能照明等等。”

剑桥大【dà】学【xué】的 Clare P. Gray 评论道：“控【kòng】制这些薄【báo】膜方向的能力使我们能够【gòu】探【tàn】索这类【lèi】技术上重要的【de】材料中【zhōng】的各【gè】向异性传输，这【zhè】对于我们理解【jiě】这些材料的运作方式至【zhì】关重要。”

马克斯·普朗克微观结构【gòu】物理研究所【suǒ】的 Stuart SP Parkin 表示：“这【zhè】项【xiàng】研【yán】究【jiū】证明了跨【kuà】学科实验理【lǐ】论合作的力量和永【yǒng】不满足【zú】的科学好奇【qí】心。” “我们对T -Nb 2 O 5和类似复杂材料【liào】的理解得到了显着【zhe】增强，这使我们希望【wàng】通过利用超【chāo】越当【dāng】今基【jī】于电荷的电子学【xué】的非常有趣【qù】的离【lí】子【zǐ】电子学领域来实【shí】现更加可持续和高效的未来。”