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Jan 09, 2024

イオントロニクスのブレークスルー: 改善されたバッテリーと高度なコンピューティングのためのより高速な薄膜デバイス

マックス・プランク微細構造物理研究所著、2023年8月13日 T-Nb2O5薄膜の2D垂直チャネルに沿ったLiイオンの高速移動により、巨大な絶縁体-金属転移が引き起こされる。

マックス・プランク微細構造物理学研究所2023年8月13日

T-Nb2O5 薄膜の 2D 垂直チャネルに沿った Li イオンの高速移動により、巨大な絶縁体 - 金属転移が引き起こされます。 青と紫の多面体は、それぞれ非リチウム化とリチウム化 T-Nb2O5 格子を示します。 明るい緑色の球は Li イオンを表します。 クレジット: 微細構造物理学の MPI、Patricia Bondia

国際チームは、操作されたイオン輸送チャネルを介したリチウムイオンインターカレーションによって電気特性が迅速かつ劇的な変化を示す新しい単結晶酸化物薄膜を発見した。

研究者らは、より高速なリチウムイオンの移動を可能にする T-Nb2O5 薄膜の作成に先駆けて取り組んできました。 この成果は、より効率的なバッテリーとコンピューティングと照明の進歩を約束し、イオントロニクスにおける大きな進歩を示しています。

ドイツのハレ（ザーレ）にあるマックス・プランク微細構造物理研究所、英国のケンブリッジ大学、米国のペンシルベニア大学のメンバーで構成される国際研究チームが、材料科学における重要な進歩を報告した。 彼らは、二次元 (2D) 垂直イオン輸送チャネルを示す単結晶 T-Nb2O5 薄膜の初めての実現に成功しました。 これにより、2D チャネルでのリチウムイオンインターカレーションによる迅速かつ重要な絶縁体金属転移が起こります。

1940 年代以来、科学者たちは酸化ニオブ、特に T-Nb2O5 として知られる酸化ニオブの電池効率向上の可能性を研究してきました。 このユニークな素材は、バッテリーの機能に不可欠な荷電粒子であるリチウムイオンの移動を迅速に促進する能力を備えています。 リチウムイオンの移動が速くなると、バッテリーの充電も速くなります。

しかし、この酸化ニオブ材料を実際の用途に使用できる薄い高品質の膜に成長させることは、常に大きな課題となってきました。 これは、T-Nb2O の複雑な構造と、酸化ニオブの複数の類似した形態または多形体の存在に起因します。

研究で使用された単結晶 T-Nb2O5 膜の作製に使用されたマックス・プランク微細構造物理研究所のパルスレーザー蒸着システム (パスカル株式会社、茨城県) の前に立つ Hyeon Han 氏と Stuart Parkin 氏。 クレジット: 微細構造物理学の MPI、Eric Geißler

今回、7月27日にNature Materials誌に掲載された論文で、マックス・プランク微細構造物理学研究所、ケンブリッジ大学、ペンシルベニア大学の研究者らは、高品質の単結晶薄膜の成長を実証することに成功した。 T-Nb2O5 は、リチウムイオンが垂直イオン輸送チャネルに沿ってさらに速く移動できるように配置されています。

T-Nb2O5 膜は、初期絶縁膜への Li 挿入の初期段階で大きな電気的変化を受けます。 これは劇的な変化です。材料の抵抗率は 1,000 億分の 1 に減少します。 研究チームはさらに、デバイス内のイオンの流れを制御する部品である「ゲート」電極の化学組成を変更することで、薄膜デバイスの調整可能な低電圧動作を実証し、潜在的な用途をさらに拡大します。

マックス プランク微細構造物理学研究所のグループは、単結晶 T-Nb2O5 薄膜の成長を実現し、リチウムイオンインターカレーションによってその導電率がどのように劇的に増加するかを示しました。 ケンブリッジ大学のグループと共同で、リチウムイオン濃度の変化に伴う材料構造のこれまで知られていなかった複数の遷移が発見されました。 これらの遷移により材料の電子特性が変化し、材料が絶縁体から金属に切り替わります。つまり、電流を遮断する状態から伝導する状態になります。 ペンシルベニア大学の研究者らは、観察した複数の相転移と、これらの相がリチウムイオンの濃度および結晶構造内での配置にどのように関係しているのかを合理化した。