Dispositivos de película fina mais rápidos para armazenamento de energia

Uma equipe internacional encontra novos filmes finos de óxido monocristalino com mudanças rápidas e dramáticas nas propriedades elétricas por meio da intercalação de íons de lítio por meio de canais de transporte iônico projetados.

Instituto Max Planck de Física de Microestrutura

imagem: A rápida migração de íons de lítio ao longo dos canais verticais 2D do filme fino T-Nb2O5 resulta em uma colossal transição metal isolante. Os poliedros azuis e roxos denotam redes de T-Nb2O5 não litiadas e litiadas, respectivamente. As esferas verdes brilhantes representam íons Li.Veja mais

Crédito: MPI de Física de Microestrutura, Patricia Bondia

Uma equipe de pesquisa internacional do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura, Halle (Saale), Alemanha, da Universidade de Cambridge, Reino Unido e da Universidade da Pensilvânia, EUA, relatou a primeira realização de filmes finos monocristalinos de T-Nb2O5 com propriedades bidimensionais. (2D) canais verticais de transporte iônico, o que resulta em uma transição rápida e colossal de metal isolante via intercalação de íons de lítio através dos canais 2D.

Desde a década de 1940, os cientistas têm explorado o uso de óxido de nióbio, especificamente uma forma de óxido de nióbio conhecida como T-Nb2O5, para criar baterias mais eficientes. Este material único é conhecido pela sua capacidade de permitir que os iões de lítio, as minúsculas partículas carregadas que fazem as baterias funcionar, se movam rapidamente dentro dele. Quanto mais rápido esses íons de lítio puderem se mover, mais rápido a bateria poderá ser carregada.

O desafio, no entanto, sempre foi transformar esse material de óxido de nióbio em camadas finas e planas, ou “filmes”, que fossem de qualidade suficientemente alta para serem usados ​​em aplicações práticas. Este problema decorre da estrutura complexa do T-Nb2O5 e da existência de muitas formas semelhantes, ou polimorfos, de óxido de nióbio.

Agora, num artigo publicado emMateriais da Natureza, pesquisadores do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura, da Universidade de Cambridge e da Universidade da Pensilvânia demonstraram com sucesso o crescimento de filmes finos monocristalinos de alta qualidade de T-Nb2O5, alinhados de tal forma que os íons de lítio podem se mover ainda mais rápido ao longo dos canais verticais de transporte iônico.

Os filmes de T-Nb2O5 sofrem uma mudança elétrica significativa numa fase inicial da inserção de Li nos filmes inicialmente isolantes. Esta é uma mudança dramática – a resistividade do material diminui por um factor de 100 mil milhões. A equipe de pesquisa demonstra ainda a operação sintonizável e de baixa tensão de dispositivos de película fina, alterando a composição química do eletrodo 'gate', um componente que controla o fluxo de íons em um dispositivo, ampliando ainda mais as aplicações potenciais.

O grupo do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura percebeu o crescimento dos filmes finos monocristalinos de T-Nb2O5 e mostrou como a intercalação de íons de lítio pode aumentar drasticamente sua condutividade elétrica. Juntamente com o grupo da Universidade de Cambridge, várias transições até então desconhecidas na estrutura do material foram descobertas à medida que a concentração de íons de lítio era alterada. Essas transições alteram as propriedades eletrônicas do material, permitindo que ele passe de isolante a metal, o que significa que passa de bloqueador de corrente elétrica a condutor. Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia racionalizaram as múltiplas transições de fase que observaram, bem como como essas fases podem estar relacionadas à concentração de íons de lítio e seu arranjo dentro da estrutura cristalina.

Esses resultados só poderiam ter sido bem-sucedidos por meio de sinergias entre os três grupos internacionais com especialidades diversas: filmes finos do Instituto Max Planck de Física de Microestruturas, baterias da Universidade de Cambridge e teoria da Universidade da Pensilvânia.

“Ao explorar o potencial do T-Nb2O5 para passar por colossais transições isolante-metal, abrimos um caminho emocionante para a exploração de soluções eletrônicas e de armazenamento de energia de próxima geração”, disse o primeiro autor Hyeon Han, do Instituto Max Planck de Física de Microestruturas. .