用于能量存储和电子产品的更快薄膜器件

德国哈【hā】雷(萨勒)马克斯·普朗克微结【jié】构物理【lǐ】研究所、英国剑【jiàn】桥大学【xué】和宾夕法【fǎ】尼【ní】亚大学的国际研【yán】究【jiū】团队首次实现了单晶T -Nb 2 O 5薄膜二【èr】维【wéi】(2D)垂直离子传输通道，通过【guò】锂离子【zǐ】嵌入【rù】二【èr】维通道，导致快速【sù】、巨大的绝缘体【tǐ】-金属转变。

自 20 世纪 40 年代以【yǐ】来，科学【xué】家【jiā】们一直在探索使用铌氧化物，特别是一种称为T -Nb 2 O 5的铌氧化物，来制造更高效的电池。这种独特的材【cái】料因其能【néng】够【gòu】让【ràng】锂【lǐ】离子(使【shǐ】电池工【gōng】作的微【wēi】小带【dài】电粒子)在【zài】其中【zhōng】快速【sù】移动而闻【wén】名。这些锂离子【zǐ】移【yí】动得越快，电池充电的速【sù】度就越快。

(资料图)

然而，挑战始终是将这种铌氧化物【wù】材料生长成薄而平【píng】坦的层或“薄膜”，其质量足【zú】够高以用【yòng】于实际应用。这【zhè】个【gè】问题源于【yú】T -Nb 2 O 5的复杂结构以【yǐ】及氧化铌的【de】许多【duō】相似形式【shì】或多晶【jīng】型【xíng】物【wù】的【de】存在。

现在，在《自然材料【liào】》杂志上发表的一【yī】篇论文【wén】中，来自剑桥大学马克斯·普【pǔ】朗克微结构物理研究所和宾夕【xī】法尼亚【yà】大【dà】学的研【yán】究人员成【chéng】功展示了【le】T -Nb 2 O 5的高质量单晶薄膜的生【shēng】长，以这样【yàng】的方式排列，使得锂离子可以沿【yán】着【zhe】垂直离【lí】子传输【shū】通【tōng】道【dào】移动得更快。

T -Nb 2 O 5膜在Li插入初始绝缘膜【mó】的早期阶【jiē】段经历【lì】显【xiǎn】着的电学【xué】变【biàn】化。这是一个巨大的转变——材料的【de】电【diàn】阻率【lǜ】降低了 1000 亿倍。研究团【tuán】队通过改变“栅”电极(控制器件【jiàn】中离子流动的组件)的化学成分，进一【yī】步证明了薄膜器【qì】件的可调和低电压操作【zuò】，进【jìn】一步【bù】扩展了潜在【zài】的应【yīng】用。

马【mǎ】克斯【sī】普朗克微结构物理研究所团队实现单晶T -Nb 2 O 5的【de】生长薄【báo】膜，并展【zhǎn】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【suí】着【zhe】锂离子浓度【dù】的变化，发现【xiàn】了材【cái】料结【jié】构中【zhōng】多个以【yǐ】前未知的转变。这些转变改【gǎi】变了材【cái】料【liào】的电子特性，使【shǐ】其从绝缘体【tǐ】转【zhuǎn】变为金属，这【zhè】意【yì】味着【zhe】它【tā】从阻止电流变为【wéi】传导电流。宾夕法【fǎ】尼【ní】亚大【dà】学的【de】研究人员合理化了他们观【guān】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【liè】的关系【xì】。

这些成果只有通过三个具有【yǒu】不同专业【yè】的国际研究小组之间的协同作用才能取得成功：马【mǎ】克【kè】斯·普【pǔ】朗克微结构物【wù】理研【yán】究【jiū】所【suǒ】的薄膜、剑桥大【dà】学的【de】电池以及宾夕法尼亚【yà】大学【xué】的理论。

马克斯·普朗克研究所的第一作【zuò】者 Hyeon Han 表示：“通【tōng】过利用T -Nb 2 O 5进行巨大绝【jué】缘体-金【jīn】属转变的潜力，我【wǒ】们【men】为探索【suǒ】下一代【dài】电子和储【chǔ】能解【jiě】决【jué】方案开辟了【le】一条【tiáo】令人兴奋的途径。”微观结构【gòu】物理学【xué】。

“我们所做的是找到一种【zhǒng】在【zài】不破坏T -Nb 2 O 5薄膜晶体结构【gòu】的情况下移【yí】动锂离子的方法，这意味【wèi】着【zhe】离【lí】子【zǐ】可以明显【xiǎn】更快地移动。”宾【bīn】夕法尼亚大学。“这种巨大的转变带来了一系列潜在【zài】的应用，从【cóng】高速计算【suàn】到节能照明【míng】等等。”

剑【jiàn】桥大学的 Clare P. Gray 评【píng】论道：“控制这些薄膜方向的能力使【shǐ】我们能够探索【suǒ】这类技术上【shàng】重要的材料【liào】中的各向异性【xìng】传【chuán】输，这对【duì】于我【wǒ】们【men】理解这些【xiē】材料的运作方式【shì】至关重要。”

马克斯【sī】·普朗克微观结构物理【lǐ】研【yán】究所的 Stuart SP Parkin 表示：“这项【xiàng】研究证明了跨学科实验理论合【hé】作的【de】力量和永不满足的科学好奇心。” “我【wǒ】们【men】对T -Nb 2 O 5和类【lèi】似复杂材料的【de】理【lǐ】解得到了显【xiǎn】着【zhe】增强，这使我【wǒ】们希望通过【guò】利用超越当今基于电荷的电子学的非常有趣的离【lí】子电【diàn】子学领域来实【shí】现更加【jiā】可持续和高效的未来。”