德國哈雷(薩勒)馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所、英國劍橋大學和賓夕法尼亞大學的國際研究團隊首次實現(xiàn)了單晶T -Nb 2 O 5薄膜二維(2D)垂直離子傳輸通道，通過鋰離子嵌入二維通道，導致快速、巨大的絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變。

自 20 世紀 40 年代以來，科學家們一直在探索使用鈮氧化物，特別是一種稱為T -Nb 2 O 5的鈮氧化物，來制造更高效的電池。這種獨特的材料因其能夠讓鋰離子(使電池工作的微小帶電粒子)在其中快速移動而聞名。這些鋰離子移動得越快，電池充電的速度就越快。

(資料圖)

然而，挑戰(zhàn)始終是將這種鈮氧化物材料生長成薄而平坦的層或“薄膜”，其質(zhì)量足夠高以用于實際應(yīng)用。這個問題源于T -Nb 2 O 5的復雜結(jié)構(gòu)以及氧化鈮的許多相似形式或多晶型物的存在。

現(xiàn)在，在《自然材料》雜志上發(fā)表的一篇論文中，來自劍橋大學馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所和賓夕法尼亞大學的研究人員成功展示了T -Nb 2 O 5的高質(zhì)量單晶薄膜的生長，以這樣的方式排列，使得鋰離子可以沿著垂直離子傳輸通道移動得更快。

T -Nb 2 O 5膜在Li插入初始絕緣膜的早期階段經(jīng)歷顯著的電學變化。這是一個巨大的轉(zhuǎn)變——材料的電阻率降低了 1000 億倍。研究團隊通過改變“柵”電極(控制器件中離子流動的組件)的化學成分，進一步證明了薄膜器件的可調(diào)和低電壓操作，進一步擴展了潛在的應(yīng)用。

馬克斯普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所團隊實現(xiàn)單晶T -Nb 2 O 5的生長薄膜，并展示了鋰離子嵌入如何顯著提高其電導率。與劍橋大學的研究小組一起，隨著鋰離子濃度的變化，發(fā)現(xiàn)了材料結(jié)構(gòu)中多個以前未知的轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)變改變了材料的電子特性，使其從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘伲@意味著它從阻止電流變?yōu)閭鲗щ娏?。賓夕法尼亞大學的研究人員合理化了他們觀察到的多個相變，以及這些相與鋰離子濃度及其在晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的排列的關(guān)系。

這些成果只有通過三個具有不同專業(yè)的國際研究小組之間的協(xié)同作用才能取得成功：馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所的薄膜、劍橋大學的電池以及賓夕法尼亞大學的理論。

馬克斯·普朗克研究所的第一作者 Hyeon Han 表示：“通過利用T -Nb 2 O 5進行巨大絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變的潛力，我們?yōu)樘剿飨乱淮娮雍蛢δ芙鉀Q方案開辟了一條令人興奮的途徑。”微觀結(jié)構(gòu)物理學。

“我們所做的是找到一種在不破壞T -Nb 2 O 5薄膜晶體結(jié)構(gòu)的情況下移動鋰離子的方法，這意味著離子可以明顯更快地移動?！辟e夕法尼亞大學?！斑@種巨大的轉(zhuǎn)變帶來了一系列潛在的應(yīng)用，從高速計算到節(jié)能照明等等。”

劍橋大學的 Clare P. Gray 評論道：“控制這些薄膜方向的能力使我們能夠探索這類技術(shù)上重要的材料中的各向異性傳輸，這對于我們理解這些材料的運作方式至關(guān)重要?！?/p>

馬克斯·普朗克微觀結(jié)構(gòu)物理研究所的 Stuart SP Parkin 表示：“這項研究證明了跨學科實驗理論合作的力量和永不滿足的科學好奇心?！?“我們對T -Nb 2 O 5和類似復雜材料的理解得到了顯著增強，這使我們希望通過利用超越當今基于電荷的電子學的非常有趣的離子電子學領(lǐng)域來實現(xiàn)更加可持續(xù)和高效的未來。”