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Jan 09, 2024

Durchbruch bei der Iontronik: Schnellere Dünnschichtgeräte für verbesserte Batterien und fortschrittliches Computing

Von Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik 13. August 2023 Die schnelle Wanderung von Li-Ionen entlang der zweidimensionalen vertikalen Kanäle des T-Nb2O5-Dünnfilms führt zu einem kolossalen Isolator-Metall-Übergang.

Von Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, 13. August 2023

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. Bildnachweis: MPI für Mikrostrukturphysik, Patricia Bondia

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

Forscher haben Pionierarbeit bei der Entwicklung dünner T-Nb2O5-Filme geleistet, die eine schnellere Li-Ionen-Bewegung ermöglichen. Diese Errungenschaft verspricht effizientere Batterien und Fortschritte in der Computer- und Beleuchtungstechnik und stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Iontronik dar.

Ein internationales Forschungsteam, bestehend aus Mitgliedern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle (Saale), Deutschland, der University of Cambridge, Großbritannien, und der University of Pennsylvania, USA, hat einen wichtigen Durchbruch in der Materialwissenschaft gemeldet. Sie erzielten die erste Realisierung einkristalliner T-Nb2O5-Dünnfilme, die zweidimensionale (2D) vertikale Ionentransportkanäle aufweisen. Dies führt zu einem schnellen und signifikanten Isolator-Metall-Übergang durch Li-Ionen-Interkalation in den 2D-Kanälen.

Seit den 1940er Jahren untersuchen Wissenschaftler das Potenzial von Nioboxid, insbesondere einer Form von Nioboxid namens T-Nb2O5, zur Verbesserung der Batterieeffizienz. Dieses einzigartige Material besitzt die Fähigkeit, die Bewegung von Lithium-Ionen, den geladenen Teilchen, die für die Funktion von Batterien von entscheidender Bedeutung sind, schnell zu erleichtern. Eine schnellere Bewegung von Lithium-Ionen führt zu einem schnelleren Laden der Batterie.

Das Züchten dieses Nioboxidmaterials zu dünnen, hochwertigen Filmen für den Einsatz in praktischen Anwendungen war jedoch schon immer eine große Herausforderung. Dies liegt an der komplexen Struktur von T-Nb2O und der Existenz mehrerer ähnlicher Formen oder Polymorphe von Nioboxid.

Hyeon Han und Stuart Parkin vor dem gepulsten Laserdepositionssystem (Pascal Co., Ltd., Ibaraki, Japan) am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, das zur Herstellung der in der Studie verwendeten einkristallinen T-Nb2O5-Filme verwendet wurde. Bildnachweis: MPI für Mikrostrukturphysik, Eric Geißler

Nun haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik der University of Cambridge und der University of Pennsylvania in einem am 27. Juli in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichten Artikel erfolgreich das Wachstum hochwertiger, einkristalliner Dünnfilme demonstriert T-Nb2O5, so ausgerichtet, dass sich die Lithiumionen noch schneller entlang vertikaler Ionentransportkanäle bewegen können.

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.

Der Erfolg dieser Forschung war abhängig von der gemeinsamen Anstrengung der drei internationalen Gruppen, die jeweils ihr einzigartiges Fachwissen einbrachten: Dünnfilme vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Batterien von der University of Cambridge und theoretische Erkenntnisse 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.“

Referenz: „Li-Iontronik in einkristallinen T-Nb2O5-Dünnfilmen mit vertikalen Ionentransportkanälen“ von Hyeon Han, Quentin Jacquet, Zhen Jiang, Farheen N. Sayed, Jae-Chun Jeon, Arpit Sharma, Aaron M. Schankler, Arvin Kakekhani , Holger L. Meyerheim, Jucheol Park, Sang Yeol Nam, Kent J. Griffith, Laura Simonelli, Andrew M. Rappe, Clare P. Gray und Stuart SP Parkin, 27. Juli 2023, Nature Materials.DOI: 10.1038/s41563-023- 01612-2

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.