エネルギー貯蔵用のより高速な薄膜デバイス

国際チームは、操作されたイオン輸送チャネルを介したリチウムイオンインターカレーションによって電気特性が迅速かつ劇的な変化を示す新しい単結晶酸化物薄膜を発見した。

マックス・プランク微細構造物理研究所

画像: T-Nb2O5 薄膜の 2D 垂直チャネルに沿った Li イオンの高速移動により、巨大な絶縁体 - 金属転移が引き起こされます。 青と紫の多面体は、それぞれ非リチウム化とリチウム化 T-Nb2O5 格子を示します。 明るい緑色の球は Li イオンを表します。もっと見る

クレジット: 微細構造物理学の MPI、Patricia Bondia

ドイツのハレ（ザーレ）にあるマックス・プランク微細構造物理学研究所、英国のケンブリッジ大学、米国のペンシルバニア大学の国際研究チームは、二次元構造を持つ単結晶T-Nb2O5薄膜を初めて実現したことを報告した。 (2D) 垂直イオン輸送チャネル。2D チャネルを介した Li イオンインターカレーションを介して、高速かつ巨大な絶縁体 - 金属転移が起こります。

1940 年代以来、科学者はより効率的な電池を作成するために、酸化ニオブ、特に T-Nb2O5 として知られる酸化ニオブの使用を研究してきました。 このユニークな素材は、バッテリーを機能させる小さな荷電粒子であるリチウムイオンがその中で素早く移動できることで知られています。 これらのリチウムイオンが速く移動できるほど、バッテリーをより速く充電できます。

しかし、常に課題は、この酸化ニオブ材料を、実際の用途に使用できる十分な高品質の薄く平らな層、つまり「フィルム」に成長させることでした。 この問題は、T-Nb2O5 の複雑な構造と、酸化ニオブの多くの同様の形態または多形の存在に起因します。

さて、出版された論文では、自然素材マックス・プランク微細構造物理学研究所、ケンブリッジ大学、ペンシルバニア大学の研究者らは、リチウムイオンが移動できるように整列した高品質の単結晶T-Nb2O5薄膜の成長を実証することに成功した。垂直イオン輸送チャネルに沿ってさらに速くなります。

T-Nb2O5 膜は、初期絶縁膜への Li 挿入の初期段階で大きな電気的変化を受けます。 これは劇的な変化です。材料の抵抗率は 1,000 億分の 1 に減少します。 研究チームはさらに、デバイス内のイオンの流れを制御する部品である「ゲート」電極の化学組成を変更することで、薄膜デバイスの調整可能な低電圧動作を実証し、潜在的な用途をさらに拡大します。

マックス プランク微細構造物理学研究所のグループは、単結晶 T-Nb2O5 薄膜の成長を実現し、リチウムイオンインターカレーションによってその導電率がどのように劇的に増加するかを示しました。 ケンブリッジ大学のグループと共同で、リチウムイオン濃度の変化に伴う材料構造のこれまで知られていなかった複数の遷移が発見されました。 これらの遷移により材料の電子特性が変化し、材料が絶縁体から金属に切り替わります。つまり、電流を遮断する状態から伝導する状態になります。 ペンシルベニア大学の研究者らは、観察した複数の相転移と、これらの相がリチウムイオンの濃度および結晶構造内での配置にどのように関係しているのかを合理化した。

これらの成果は、マックス・プランク微細構造物理研究所の薄膜、ケンブリッジ大学の電池、ペンシルベニア大学の理論という、多様な専門分野を持つ 3 つの国際グループ間の相乗効果によってのみ成功する可能性があります。

「巨大な絶縁体 - 金属転移を起こす T-Nb2O5 の可能性を活用することで、私たちは次世代エレクトロニクスとエネルギー貯蔵ソリューションの探求のためのエキサイティングな道を切り開きました」とマックス・プランク微細構造物理研究所の筆頭著者 Hyeon Han 氏は述べています。 。