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【kè】斯【sī】·普朗克【kè】微结构【gòu】物理研究所、英国剑【jiàn】桥大学和宾夕法尼亚大学【xué】的国际研【yán】究团【tuán】队首次实【shí】现了单晶T -Nb 2 O 5薄【báo】膜二维【wéi】(2D)垂直离子传输通道【dào】，通过锂离子嵌【qiàn】入二维通道，导致快速【sù】、巨大的绝缘体-金属转变。

自【zì】 20 世纪 40 年代以【yǐ】来【lái】，科学家们一直在探【tàn】索使用铌氧化物，特别是【shì】一种【zhǒng】称为T -Nb 2 O 5的铌氧化物【wù】，来制造更高效的【de】电池。这种【zhǒng】独特的材料【liào】因其能够让锂离【lí】子(使电池工作的微小带电粒子)在其中快速移动【dòng】而闻名。这些【xiē】锂离【lí】子移动得越快，电池【chí】充电的速度就越快。

(资料图)

然而，挑战始【shǐ】终【zhōng】是将这种铌氧【yǎng】化物材料生【shēng】长成薄而平坦的【de】层或“薄【báo】膜”，其质量足【zú】够高以【yǐ】用于【yú】实际应【yīng】用。这个问题【tí】源于【yú】T -Nb 2 O 5的复杂结构以及氧化铌的许多相【xiàng】似形式或多【duō】晶型【xíng】物的存在。

现【xiàn】在【zài】，在【zài】《自【zì】然材料【liào】》杂志上发表【biǎo】的一篇论文中，来自【zì】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【xué】的研究【jiū】人员成【chéng】功展示【shì】了T -Nb 2 O 5的高质量单【dān】晶薄【báo】膜【mó】的生长，以这【zhè】样的方式排列，使【shǐ】得【dé】锂离子可以沿着垂直离子传输【shū】通【tōng】道移【yí】动得更快。

T -Nb 2 O 5膜在Li插入初始绝缘【yuán】膜的早期阶【jiē】段经【jīng】历显着的电【diàn】学变【biàn】化。这是一个巨大【dà】的转变——材【cái】料的电【diàn】阻【zǔ】率降低了 1000 亿倍。研究团队【duì】通过改变“栅【shān】”电极(控制器件中离子流动的【de】组件)的化学成分，进一步证【zhèng】明【míng】了薄膜器件的可【kě】调和低【dī】电压【yā】操作，进一步扩【kuò】展【zhǎn】了潜在【zài】的应用。

马克斯普朗克【kè】微结构物理研究所团队实现单晶T -Nb 2 O 5的生【shēng】长【zhǎng】薄膜，并展【zhǎn】示了锂离子嵌入如何显着提高其电【diàn】导【dǎo】率。与剑【jiàn】桥【qiáo】大学的研究小【xiǎo】组【zǔ】一起，随着锂【lǐ】离子浓度的变化，发现了材【cái】料结构中多个以【yǐ】前未知的转变【biàn】。这些转【zhuǎn】变【biàn】改变【biàn】了材料的电【diàn】子【zǐ】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【chuán】导【dǎo】电流【liú】。宾夕法尼【ní】亚大学的研究人员【yuán】合理【lǐ】化了他们观察到的【de】多个【gè】相【xiàng】变，以及这些相与锂离子浓【nóng】度及其在【zài】晶体【tǐ】结构内的排列的【de】关系。

这【zhè】些成果只有【yǒu】通过三【sān】个具【jù】有不同专业的国【guó】际研究小组之【zhī】间的协同【tóng】作用才能取得成功【gōng】：马【mǎ】克斯·普朗克微结构物理研究所的薄膜【mó】、剑桥大学的电池以及宾【bīn】夕法尼亚大【dà】学【xué】的理论。

马【mǎ】克【kè】斯·普朗【lǎng】克研究【jiū】所的第一作者 Hyeon Han 表示：“通【tōng】过利用T -Nb 2 O 5进【jìn】行巨大绝【jué】缘体-金属转变的【de】潜【qián】力，我们为探索下【xià】一代电子和储能解决【jué】方案开辟了一条令人兴奋【fèn】的【de】途径【jìng】。”微观结构物【wù】理学。

“我们所做的是找到一种在不破坏T -Nb 2 O 5薄膜晶体结构【gòu】的情况下移动锂离子的【de】方法，这意【yì】味着离子【zǐ】可以明【míng】显【xiǎn】更快【kuài】地移【yí】动【dòng】。”宾夕【xī】法尼亚大学【xué】。“这种巨大的转变带来【lái】了一系列潜在的应用，从高速计【jì】算【suàn】到节能照明【míng】等等【děng】。”

剑【jiàn】桥大学的 Clare P. Gray 评论道：“控制这【zhè】些薄膜方向的能【néng】力使【shǐ】我们能够探索这类技术上重要的材料中的【de】各【gè】向【xiàng】异性传输，这对于【yú】我们【men】理解这些材料的【de】运作【zuò】方式至关重要。”

马克斯·普朗克【kè】微观结构【gòu】物理研究所的 Stuart SP Parkin 表示：“这项研究证【zhèng】明了【le】跨学科实验理论合【hé】作的【de】力【lì】量和永不满足的【de】科学好奇心。” “我【wǒ】们对T -Nb 2 O 5和类似复杂材【cái】料的理解得到了显【xiǎn】着【zhe】增强，这使我【wǒ】们希望通过【guò】利用超越当今【jīn】基于电荷的电子【zǐ】学的非【fēi】常有趣的【de】离子电【diàn】子【zǐ】学领域来实现更加可持【chí】续和高效的未【wèi】来。”