储能、电子器件均受益！国际团队突破材料限制首次“生成”高质量薄膜

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时间 :2023-08-04 08:45:59 来源 : 金融界

(资料图片)

据媒体报道，来自德国马克斯·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国际研究小组首次实现了具有二维（2D）垂直离子传输通道的单晶T-Nb2O5薄膜，通过让锂离子嵌入2D通道实现快速且巨大的绝缘体-金属转变。

自20世纪40年代以来，科学家们一直在探索氧化铌的使用，特别是一种被称为T-Nb2O5的氧化铌，以制造更高效的电池。这种独特的材料以其允许锂离子在其中快速移动的能力而闻名。这些锂离子移动得越快，电池充电的速度就越快。

然而，这种材料的实际应用一直面临着一些调整。例如，将这种氧化铌材料“生长”成薄而平坦的层，或具有足够高质量的“薄膜”。这个问题源于T-Nb2O5的复杂结构和许多类似形式或多晶型氧化铌的存在。

在上述研究中，该团队成功地展示了T-Nb2O5高质量单晶薄膜的生长，这种薄膜的排列方式使锂离子可以沿着垂直离子传输通道更快地移动。最新研究成果已于近期发表在了《自然材料》杂志上。

据悉，该小组实现了单晶T-Nb2O5薄膜的生长，并展示了锂离子插入如何显著提高其导电性。随着锂离子浓度的变化，他们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，允许它从绝缘体转变为金属，这意味着它从阻挡电流转变为导电。

然后，研究人员对他们观察到的多相转变，以及这些相变如何与锂离子的浓度及其在晶体结构中的排列有关联找到合理的理由。

研究人员表示，T-Nb2O5薄膜在锂插入到初始绝缘膜的早期阶段发生了显著的电性变化。这是一个戏剧性的转变——材料的电阻率降低了1000亿倍。他们通过改变“栅”电极的化学成分，进一步展示了薄膜器件的可调谐和低电压操作，并扩展了潜在的应用。“栅”电极是控制器件中离子流动的组件。

“利用T-Nb2O5的潜力进行巨大的绝缘体-金属转变，我们已经为探索下一代电子和能量存储解决方案开辟了一条令人兴奋的途径，”马克斯·普朗克微结构物理研究所的第一作者Hyeon Han说。

研究人员还说，“我们所做的是找到一种不破坏T-Nb2O5薄膜晶体结构的方式来移动锂离子，这意味着离子可以明显更快地移动。这种巨大的转变使一系列潜在的应用成为可能，从高速计算到节能照明等等。”

“我们对T-Nb2O5和类似复杂材料的理解已经大大增强，希望能够实现更可持续和更高效的未来。”他们补充道。

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