Schnellere Dünnschichtgeräte zur Energiespeicherung a

Ein internationales Team findet neue einkristalline Oxiddünnfilme mit schnellen und dramatischen Änderungen der elektrischen Eigenschaften durch Li-Ionen-Interkalation durch konstruierte Ionentransportkanäle.

Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

Bild: Die schnelle Wanderung von Li-Ionen entlang der 2D-Vertikalkanäle des T-Nb2O5-Dünnfilms führt zu einem kolossalen Isolator-Metall-Übergang. Die blauen und violetten Polyeder bezeichnen nicht-lithiierte bzw. lithiierte T-Nb2O5-Gitter. Die hellgrünen Kugeln stellen Li-Ionen dar.mehr sehen

Bildnachweis: MPI für Mikrostrukturphysik, Patricia Bondia

Ein internationales Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle (Saale), der University of Cambridge, Großbritannien und der University of Pennsylvania, USA, berichtete über die erste Realisierung einkristalliner T-Nb2O5-Dünnfilme mit zweidimensionaler Struktur (2D) vertikale Ionentransportkanäle, was zu einem schnellen und kolossalen Isolator-Metall-Übergang durch Li-Ionen-Interkalation durch die 2D-Kanäle führt.

Seit den 1940er Jahren erforschen Wissenschaftler die Verwendung von Nioboxid, insbesondere einer Form von Nioboxid namens T-Nb2O5, zur Herstellung effizienterer Batterien. Dieses einzigartige Material ist für seine Fähigkeit bekannt, Lithium-Ionen, die winzigen geladenen Teilchen, die Batterien zum Funktionieren bringen, in sich schnell bewegen zu lassen. Je schneller sich diese Lithium-Ionen bewegen können, desto schneller kann eine Batterie geladen werden.

Die Herausforderung bestand jedoch schon immer darin, dieses Nioboxidmaterial zu dünnen, flachen Schichten oder „Filmen“ wachsen zu lassen, die qualitativ hochwertig genug sind, um in praktischen Anwendungen verwendet zu werden. Dieses Problem ergibt sich aus der komplexen Struktur von T-Nb2O5 und der Existenz vieler ähnlicher Formen oder Polymorphe von Nioboxid.

Jetzt in einem Artikel veröffentlicht inNaturmaterialienForscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik der University of Cambridge und der University of Pennsylvania haben erfolgreich das Wachstum hochwertiger, einkristalliner Dünnfilme aus T-Nb2O5 nachgewiesen, die so ausgerichtet sind, dass sich die Lithiumionen bewegen können noch schneller entlang vertikaler Ionentransportkanäle.

Die T-Nb2O5-Filme unterliegen in einem frühen Stadium der Li-Insertion in die ursprünglich isolierenden Filme einer signifikanten elektrischen Veränderung. Dies ist eine dramatische Veränderung – der spezifische Widerstand des Materials nimmt um den Faktor 100 Milliarden ab. Das Forschungsteam demonstrierte außerdem den abstimmbaren Niederspannungsbetrieb von Dünnschichtgeräten, indem es die chemische Zusammensetzung der „Gate“-Elektrode veränderte, einer Komponente, die den Ionenfluss in einem Gerät steuert, wodurch die möglichen Anwendungen weiter erweitert wurden.

Die Gruppe des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik erkannte das Wachstum der einkristallinen T-Nb2O5-Dünnfilme und zeigte, wie die Li-Ionen-Interkalation ihre elektrische Leitfähigkeit dramatisch erhöhen kann. Gemeinsam mit der Gruppe der Universität Cambridge wurden mehrere bisher unbekannte Übergänge in der Struktur des Materials entdeckt, als sich die Konzentration von Lithiumionen änderte. Diese Übergänge verändern die elektronischen Eigenschaften des Materials und ermöglichen ihm, von einem Isolator zu einem Metall zu werden, was bedeutet, dass es elektrischen Strom nicht mehr blockiert, sondern ihn leitet. Forscher der University of Pennsylvania erklärten die von ihnen beobachteten vielfältigen Phasenübergänge und untersuchten, wie diese Phasen mit der Konzentration von Lithiumionen und ihrer Anordnung innerhalb der Kristallstruktur zusammenhängen könnten.

Diese Ergebnisse hätten nur durch Synergien zwischen den drei internationalen Gruppen mit unterschiedlichen Spezialgebieten erfolgreich sein können: Dünnfilme vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Batterien von der University of Cambridge und Theorie von der University of Pennsylvania.

„Durch die Nutzung des Potenzials von T-Nb2O5 für kolossale Isolator-Metall-Übergänge haben wir einen spannenden Weg für die Erforschung von Elektronik- und Energiespeicherlösungen der nächsten Generation eröffnet“, sagt Erstautor Hyeon Han vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik .

„Wir haben einen Weg gefunden, Lithiumionen so zu bewegen, dass die Kristallstruktur der T-Nb2O5-Dünnfilme nicht gestört wird, was bedeutet, dass sich die Ionen deutlich schneller bewegen können“, sagt Andrew Rappe von der University of Pennsylvania. „Dieser dramatische Wandel ermöglicht eine Reihe potenzieller Anwendungen, von Hochgeschwindigkeitsrechnen bis hin zu energieeffizienter Beleuchtung und mehr.“

Clare P. Gray von der Universität Cambridge kommentiert: „Die Möglichkeit, die Ausrichtung dieser Filme zu steuern, ermöglicht es uns, den anisotropen Transport in dieser technologisch wichtigen Materialklasse zu erforschen, was für unser Verständnis der Funktionsweise dieser Materialien von grundlegender Bedeutung ist.“

„Diese Forschung ist ein Beweis für die Kraft einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie und einer unstillbaren wissenschaftlichen Neugier“, sagt Stuart SP Parkin vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik. „Unser Verständnis von T-Nb2O5 und ähnlichen komplexen Materialien wurde erheblich verbessert und wir hoffen auf eine nachhaltigere und effizientere Zukunft, indem wir uns das sehr interessante Gebiet der Iontronik zunutze machen, das über die heutige ladungsbasierte Elektronik hinausgeht.“

Diese Forschung wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördernummer 737109) unterstützt; eine Alexander von Humboldt-Professur für SSPP; das US-Energieministerium, Office of Science, Basic Energy Sciences (Auszeichnung Nr. DE-SC0019281); das CATMAT-Projekt der Faraday Institution (FIRG016); das Office of Naval Research (Grant N00014-20-1-2701); das National Energy Research Scientific Computing Center des DOE und das High-Performance Computing Modernization Office (HPCMO) des US-Verteidigungsministeriums.

Naturmaterialien

10.1038/s41563-023-01612-2

Experimentelle Studie

Li-Iontronik in einkristallinen T-Nb2O5-Dünnfilmen mit vertikalen Ionentransportkanälen

27. Juli 2023

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