儲能、電子器件均受益！國際團隊突破材料限制首次“生成”高質量薄膜

2023-08-04 09:05:54 來源: 金融界

(資料圖)

據媒體報道，來自德國馬克斯·普朗克微結構物理研究所、英國劍橋大學和美國賓夕法尼亞大學的國際研究小組首次實現了具有二維（2D）垂直離子傳輸通道的單晶T-Nb2O5薄膜，通過讓鋰離子嵌入2D通道實現快速且巨大的絕緣體-金屬轉變。

自20世紀40年代以來，科學家們一直在探索氧化鈮的使用，特別是一種被稱為T-Nb2O5的氧化鈮，以制造更高效的電池。這種獨特的材料以其允許鋰離子在其中快速移動的能力而聞名。這些鋰離子移動得越快，電池充電的速度就越快。

然而，這種材料的實際應用一直面臨著一些調整。例如，將這種氧化鈮材料“生長”成薄而平坦的層，或具有足夠高質量的“薄膜”。這個問題源于T-Nb2O5的復雜結構和許多類似形式或多晶型氧化鈮的存在。

在上述研究中，該團隊成功地展示了T-Nb2O5高質量單晶薄膜的生長，這種薄膜的排列方式使鋰離子可以沿著垂直離子傳輸通道更快地移動。最新研究成果已于近期發表在了《自然材料》雜志上。

據悉，該小組實現了單晶T-Nb2O5薄膜的生長，并展示了鋰離子插入如何顯著提高其導電性。隨著鋰離子濃度的變化，他們發現了材料結構中多個以前未知的轉變。這些轉變改變了材料的電子特性，允許它從絕緣體轉變為金屬，這意味著它從阻擋電流轉變為導電。

然后，研究人員對他們觀察到的多相轉變，以及這些相變如何與鋰離子的濃度及其在晶體結構中的排列有關聯找到合理的理由。

研究人員表示，T-Nb2O5薄膜在鋰插入到初始絕緣膜的早期階段發生了顯著的電性變化。這是一個戲劇性的轉變——材料的電阻率降低了1000億倍。他們通過改變“柵”電極的化學成分，進一步展示了薄膜器件的可調諧和低電壓操作，并擴展了潛在的應用。“柵”電極是控制器件中離子流動的組件。

“利用T-Nb2O5的潛力進行巨大的絕緣體-金屬轉變，我們已經為探索下一代電子和能量存儲解決方案開辟了一條令人興奮的途徑，”馬克斯·普朗克微結構物理研究所的第一作者Hyeon Han說。

研究人員還說，“我們所做的是找到一種不破壞T-Nb2O5薄膜晶體結構的方式來移動鋰離子，這意味著離子可以明顯更快地移動。這種巨大的轉變使一系列潛在的應用成為可能，從高速計算到節能照明等等。”

“我們對T-Nb2O5和類似復雜材料的理解已經大大增強，希望能夠實現更可持續和更高效的未來。”他們補充道。

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