Международная исследовательская группа из Германии, США и Великобритании впервые воспроизвела тонкий пленочный материал, имеющий в своей структуре двумерные вертикальные ионно-транспортные каналы, что значительно ускоряет переход ионов лития в процессе зарядки аккумулятора или прямого питания энергией электронных устройств. Об этом сообщает сайт Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Еще с 1940-х годов для создания более эффективных аккумуляторных батарей ученые пытались разработать варианты использования оксида ниобия. Этот уникальный материал известен своей способностью позволять ионам лития быстро перемещаться внутри него. А чем мощнее будет транспортировочный канал для ионов лития, тем быстрее станет продвигаться процесс зарядки аккумуляторной батареи.
Однако всегда перед разработчиками вставала проблема того, как из исходного материала на основе оксида ниобия сформировать тонкие плоские слои или «пленки» достаточно высокого качества для практического применения. Эта проблема связана со сложной внутренней структурой T-Nb2O5 и существованием множества подобных форм (полиморфов) оксида ниобия.
Теперь исследователи из Института физики микроструктур Макса Планка в Галле (Германия), Кембриджского университета (Великобритания) и Университета штата Пенсильвания (США) впервые в мире смогли добиться реализации монокристаллического оксида ниобия (T-Nb2O5) в форме тонких пленок, содержащих в себе двумерные (2D) вертикальные ионно-транспортные каналы. Эта структура обеспечивает более быстрый и массированный переход «изолятор-металл» посредством интеркаляции ионов лития через 2D-каналы.
Как поясняют исследователи, пленки на основе T-Nb2O5 претерпевают значительные электрические изменения на ранней стадии введения ионов лития в первоначально изолирующие пленки. Это крайне значимый сдвиг – удельное сопротивление материала при этом уменьшается в 100 миллиардов раз.
Исследовательская группа также продемонстрировала перестраиваемую работу тонкопленочных устройств при низком напряжении, изменив химический состав «затворного» электрода (компонента, который управляет потоком ионов в устройстве), что еще больше расширяет потенциальные области применения.
Группа Института физики микроструктур Макса Планка осуществила непосредственное выращивание монокристаллических тонких пленок на основе T-Nb2O5 и выявила, как интеркалирование ионов лития может резко увеличить их электропроводность.
Далее, совместно с учеными из Кембриджского университета, были обнаружены множественные ранее неизвестные переходы в структуре материала при изменении концентрации ионов лития. Эти переходы изменяют электронные свойства материала, позволяя ему превратиться из изолятора в металл, а это означает, что он переходит от блокирования электрического тока к его проводимости.
На заключительном этапе исследователи из Университета штата Пенсильвания рационализировали наблюдаемые ими множественные фазовые переходы, а также то, как эти фазы могут быть связаны с концентрацией ионов лития и их расположением в кристаллической структуре.
Эти результаты могли быть успешными только благодаря синергии между тремя международными группами с разными специальностями: тонкими пленками из Института физики микроструктур Макса Планка, батареями из Кембриджского университета и теорией из Пенсильванского университета.
«Используя потенциал T-Nb2O5 для убыстрения и массирования переходов «изолятор-металл», мы создали перспективу для разработок электроники следующего поколения и новых решений для хранения энергии», – отметил первый автор исследования Хён Хан из Института физики микроструктур Макса Планка.
Его коллеги также дополнили, что тонкопленочный материал на основе оксида ниобия открывает целый ряд потенциальных применений, от высокоскоростных вычислений до энергоэффективного освещения и многого другого, используя преимущества новой и крайне перспективной области ионной электроники, которая выходит за рамки сегодняшней электроники на основе традиционных принципов транспортировки заряда.