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Aug 13, 2023

Avance de la iontrónica: dispositivos de película delgada más rápidos para baterías mejoradas y computación avanzada

Por el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras 13 de agosto de 2023 La rápida migración de iones Li a lo largo de los canales verticales 2D de la película delgada de T-Nb2O5 da como resultado una transición colosal entre aislante y metal.

Por Instituto Max Planck de Física de Microestructuras 13 de agosto de 2023

La rápida migración de iones Li a lo largo de los canales verticales 2D de la película delgada de T-Nb2O5 da como resultado una transición colosal entre aislante y metal. Los poliedros azul y morado denotan redes de T-Nb2O5 no litiadas y litiadas, respectivamente. Las esferas de color verde brillante representan iones de Li. Crédito: MPI de Física de Microestructuras, Patricia Bondia

Un equipo internacional encuentra nuevas películas delgadas de óxido monocristalino con cambios rápidos y dramáticos en las propiedades eléctricas mediante la intercalación de iones de litio a través de canales de transporte iónico diseñados.

Los investigadores han sido pioneros en la creación de películas delgadas de T-Nb2O5 que permiten un movimiento más rápido de iones de litio. Este logro, que promete baterías más eficientes y avances en informática e iluminación, marca un importante avance en la iontrónica.

Un equipo de investigación internacional, compuesto por miembros del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, Halle (Saale), Alemania, la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y la Universidad de Pensilvania, EE.UU., ha informado de un importante avance en la ciencia de los materiales. Lograron la primera realización de películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5, que exhiben canales de transporte iónico verticales bidimensionales (2D). Esto da como resultado una transición rápida y significativa entre aislante y metal a través de la intercalación de iones de litio en los canales 2D.

Desde la década de 1940, los científicos han investigado el potencial del óxido de niobio, específicamente una forma de óxido de niobio conocida como T-Nb2O5, para mejorar la eficiencia de las baterías. Este material único posee la capacidad de facilitar rápidamente el movimiento de los iones de litio, que son las partículas cargadas esenciales para el funcionamiento de las baterías. Un movimiento más rápido de los iones de litio se traduce en una carga de la batería más rápida.

Sin embargo, convertir este material de óxido de niobio en películas delgadas y de alta calidad para su uso en aplicaciones prácticas siempre ha planteado un desafío importante. Esto se debe a la compleja estructura del T-Nb2O y a la existencia de múltiples formas similares, o polimorfos, de óxido de niobio.

Hyeon Han y Stuart Parkin frente al sistema de deposición por láser pulsado (Pascal Co., Ltd., Ibaraki, Japón) en el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras que se utilizó para crear las películas monocristalinas de T-Nb2O5 utilizadas en el estudio. Crédito: MPI de Física de Microestructuras, Eric Geißler

Ahora, en un artículo publicado el 27 de julio en la revista Nature Materials, investigadores del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, la Universidad de Cambridge y la Universidad de Pensilvania han demostrado con éxito el crecimiento de películas delgadas monocristalinas de alta calidad de T-Nb2O5, alineado de tal manera que los iones de litio pueden moverse aún más rápido a lo largo de canales verticales de transporte iónico.

Las películas de T-Nb2O5 sufren un cambio eléctrico significativo en una etapa temprana de la inserción de Li en las películas inicialmente aislantes. Se trata de un cambio espectacular: la resistividad del material disminuye en un factor de 100 mil millones. El equipo de investigación demuestra además el funcionamiento sintonizable y de bajo voltaje de dispositivos de película delgada alterando la composición química del electrodo de "puerta", un componente que controla el flujo de iones en un dispositivo, ampliando aún más las aplicaciones potenciales.

El grupo del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras se dio cuenta del crecimiento de las películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5 y demostró cómo la intercalación de iones de litio puede aumentar drásticamente su conductividad eléctrica. Junto con el grupo de la Universidad de Cambridge, se descubrieron múltiples transiciones hasta ahora desconocidas en la estructura del material a medida que cambiaba la concentración de iones de litio. Estas transiciones cambian las propiedades electrónicas del material, permitiéndole pasar de ser un aislante a un metal, es decir, pasar de bloquear la corriente eléctrica a conducirla. Investigadores de la Universidad de Pensilvania racionalizaron las múltiples transiciones de fase que observaron, así como cómo estas fases podrían estar relacionadas con la concentración de iones de litio y su disposición dentro de la estructura cristalina.

El éxito de esta investigación dependió del esfuerzo de colaboración de los tres grupos internacionales, cada uno de los cuales aportó su experiencia única: películas delgadas del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, baterías de la Universidad de Cambridge y conocimientos teóricos de la Universidad de Pensilvania.

"Al aprovechar el potencial del T-Nb2O5 para experimentar transiciones colosales entre aislante y metal, hemos abierto una interesante vía de exploración para soluciones electrónicas y de almacenamiento de energía de próxima generación", dice el primer autor Hyeon Han, del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. .

"Lo que hemos hecho es encontrar una manera de mover los iones de litio de una manera que no altere la estructura cristalina de las películas delgadas de T-Nb2O5, lo que significa que los iones pueden moverse significativamente más rápido", dice Andrew Rappe de la Universidad de Pensilvania. . "Este cambio dramático permite una variedad de aplicaciones potenciales, desde computación de alta velocidad hasta iluminación energéticamente eficiente y más".

Clare P. Gray, de la Universidad de Cambridge, comenta que "la capacidad de controlar la orientación de estas películas nos permite explorar el transporte anisotrópico en esta clase de materiales tecnológicamente importante, lo cual es fundamental para nuestra comprensión de cómo operan estos materiales".

"Esta investigación es un testimonio del poder de una colaboración interdisciplinaria entre experimentos y teoría y de una insaciable curiosidad científica", dice Stuart SP Parkin, del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. "Nuestra comprensión del T-Nb2O5 y materiales complejos similares ha mejorado sustancialmente, lo que esperamos que nos lleve a un futuro más sostenible y eficiente, aprovechando el muy interesante campo de la iontrónica que va más allá de la electrónica actual basada en cargas".

Referencia: “Iontrónica de Li en películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5 con canales de transporte iónico vertical” por 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 y Stuart SP Parkin, 27 de julio de 2023, Nature Materials.DOI: 10.1038/s41563-023- 01612-2

Esta investigación fue apoyada por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (Subvención No 737109); una Cátedra Alexander von Humboldt otorgada a SSPP; el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas (Premio # DE-SC0019281); el proyecto CATMAT de la Institución Faraday (FIRG016); la Oficina de Investigaciones Navales (Subvención N00014-20-1-2701); el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del DOE y la Oficina de Modernización de Computación de Alto Rendimiento (HPCMO) del Departamento de Defensa de EE. UU.