离子电子学突破：更快的薄膜器件可改进电池和高级计算
锂离子沿着 T-Nb2O5 薄膜的二维垂直通道快速迁移，导致巨大的绝缘体-金属转变。蓝色和紫色多面体分别表示非锂化和锂化T-Nb2O5 晶格。亮绿色球体代表锂离子。图片来源：MPI 微观结构物理学，Patricia Bondia
一个国际团队发现了新的单晶氧化物薄膜，通过工程离子传输通道嵌入锂离子，电性能可以快速而显着地变化。
研究人员率先创建了 T-Nb2O5 薄膜，可以实现更快的锂离子移动。这一成就有望实现更高效的电池以及计算和照明方面的进步，标志着离子电子学的重大飞跃。
由来自德国哈勒（萨勒）马克斯·普朗克微结构物理研究所、英国剑桥大学和美国宾夕法尼亚大学的成员组成的国际研究小组报告了材料科学领域的一项重要突破。他们首次实现了单晶T -Nb 2 O 5薄膜，表现出二维（2D）垂直离子传输通道。这导致通过二维通道中的锂离子嵌入发生快速且显着的绝缘体-金属转变。
自 20 世纪 40 年代以来，科学家们一直在研究氧化铌（特别是一种称为 T-Nb2O5 的氧化铌）在提高电池效率方面的潜力。这种独特的材料能够快速促进锂离子的移动，锂离子是电池功能不可或缺的带电粒子。锂离子的更快移动意味着电池充电更快。
挑战与突破
然而，将这种氧化铌材料生长成薄的、高质量的薄膜以用于实际应用始终面临着巨大的挑战。这源于T -Nb 2 O的复杂结构以及氧化铌的多种相似形式或多晶型物的存在。
Hyeon Han 和 Stuart Parkin 在马克斯普朗克微结构物理研究所的脉冲激光沉积系统（日本茨城县帕斯卡有限公司）前，该系统用于制造单晶 T -Nb 2 O 5薄膜，用于制造研究。图片来源：MPI 微观结构物理学，Eric Geißler
现在，来自剑桥大学马克斯普朗克微结构物理研究所和宾夕法尼亚大学的研究人员在7月27日发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中，成功展示了高质量单晶薄膜的生长T -Nb 2 O 5，以这样的方式排列，使得锂离子可以沿着垂直离子传输通道移动得更快。
观察结果和启示
T -Nb 2 O 5膜在Li插入初始绝缘膜的早期阶段经历显着的电学变化。这是一个巨大的转变——材料的电阻率降低了 1000 亿倍。研究团队通过改变“栅”电极（控制器件中离子流动的组件）的化学成分，进一步证明了薄膜器件的可调和低电压操作，进一步扩展了潜在的应用。
马克斯普朗克微结构物理研究所团队实现单晶T -Nb 2 O 5的生长薄膜，并展示了锂离子嵌入如何显着提高其电导率。与剑桥大学的研究小组一起，随着锂离子浓度的变化，发现了材料结构中多个以前未知的转变。这些转变改变了材料的电子特性，使其从绝缘体转变为金属，这意味着它从阻止电流变为传导电流。宾夕法尼亚大学的研究人员合理化了他们观察到的多个相变，以及这些相与锂离子浓度及其在晶体结构内的排列的关系。
合作与未来展望
这项研究的成功取决于三个国际小组的合作努力，每个小组都贡献了自己独特的专业知识：来自马克斯·普朗克微结构物理研究所的薄膜、来自剑桥大学的电池以及来自宾夕法尼亚大学的理论见解。
马克斯·普朗克研究所的第一作者 Hyeon Han 表示：“通过利用T -Nb 2 O 5进行巨大绝缘体-金属转变的潜力，我们为探索下一代电子和储能解决方案开辟了一条令人兴奋的途径。”微观结构物理学。
“我们所做的就是找到一种在不破坏T -Nb 2 O 5薄膜晶体结构的情况下移动锂离子的方法，这意味着离子可以明显更快地移动，”该公司的 Andrew Rappe 说道。宾夕法尼亚大学。“这种巨大的转变带来了一系列潜在的应用，从高速计算到节能照明等等。”
剑桥大学的 Clare P. Gray 评论道：“控制这些薄膜方向的能力使我们能够探索这类技术上重要的材料中的各向异性传输，这对于我们理解这些材料的运作方式至关重要。”
马克斯·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验理论合作的力量和永不满足的科学好奇心。” “我们对T -Nb 2 O 5和类似复杂材料的理解得到了显着增强，这使我们希望通过利用超越当今基于电荷的电子学的非常有趣的离子电子学领域来实现更加可持续和高效的未来。”