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Aug 13, 2023

Iontronics의 획기적인 발전: 향상된 배터리 및 고급 컴퓨팅을 위한 더 빠른 박막 장치

Max Planck Institute of Microstructure Physics 2023년 8월 13일 T-Nb2O5 박막의 2D 수직 채널을 따라 Li 이온이 빠르게 이동하면 거대한 절연체-금속 전이가 발생합니다.

작성자: Max Planck Institute of Microstructure Physics2023년 8월 13일

T-Nb2O5 박막의 2D 수직 채널을 따라 Li 이온이 빠르게 이동하면 절연체-금속 전이가 엄청나게 커집니다. 파란색과 보라색 다면체는 각각 리튬화되지 않은 T-Nb2O5 격자를 나타냅니다. 밝은 녹색 구체는 Li 이온을 나타냅니다. 출처: 미세구조물리학 MPI, Patricia Bondia

국제 팀은 공학적 이온 전달 채널을 통한 리튬 이온 삽입을 통해 전기적 특성이 빠르고 극적으로 변화하는 새로운 단결정 산화물 박막을 발견했습니다.

연구원들은 더 빠른 리튬 이온 이동을 가능하게 하는 T-Nb2O5 박막 생성을 개척했습니다. 보다 효율적인 배터리와 컴퓨팅 및 조명의 발전을 약속하는 이 성과는 이온트로닉스 분야에서 중요한 도약을 의미합니다.

막스플랑크 미세구조물리연구소(독일 할레(잘레)), 영국 케임브리지대학교, 미국 펜실베이니아대학교 구성원으로 구성된 국제 연구팀이 재료 과학에서 중요한 돌파구를 보고했습니다. 그들은 2차원(2D) 수직 이온 수송 채널을 나타내는 단결정 T-Nb2O5 박막의 최초 구현을 달성했습니다. 이로 인해 2D 채널의 리튬 이온 삽입을 통해 신속하고 중요한 절연체-금속 전이가 발생합니다.

1940년대부터 과학자들은 배터리 효율을 향상시키기 위해 산화니오븀, 특히 T-Nb2O5로 알려진 산화니오븀의 한 형태의 잠재력을 조사해 왔습니다. 이 독특한 소재는 배터리 기능에 필수적인 하전 입자인 리튬 이온의 이동을 빠르게 촉진하는 능력을 가지고 있습니다. 리튬 이온의 움직임이 빨라지면 배터리 충전도 빨라집니다.

그러나 이 산화니오븀 물질을 실제 응용 분야에 사용하기 위해 얇고 고품질의 필름으로 성장시키는 것은 항상 중요한 과제를 안고 있었습니다. 이는 T-Nb2O의 복잡한 구조와 산화니오븀의 여러 유사한 형태 또는 다형체의 존재에서 비롯됩니다.

연구에 사용된 단결정 T-Nb2O5 필름을 생성하는 데 사용된 Max Planck 미세 구조 물리학 연구소의 펄스 레이저 증착 시스템(Pascal Co., Ltd., 이바라키, 일본) 앞에 있는 한현과 스튜어트 파킨. 출처: 미세구조물리학 MPI, Eric Geißler

막스플랑크 미세구조물리연구소(Max Planck Institute of Microstructure Physics), 케임브리지대학교, 펜실베니아대학교 연구진이 네이처 머티리얼(Nature Materials) 저널에 7월 27일 게재한 논문에서 고품질의 단결정 박막 성장을 성공적으로 입증했다. T-Nb2O5는 리튬 이온이 수직 이온 전달 채널을 따라 더 빠르게 이동할 수 있도록 정렬됩니다.

T-Nb2O5 막은 초기 절연막에 Li가 삽입되는 초기 단계에서 상당한 전기적 변화를 겪습니다. 이는 극적인 변화입니다. 재료의 저항력이 1,000억 배 감소합니다. 연구팀은 장치 내 이온 흐름을 제어하는 ​​구성 요소인 '게이트' 전극의 화학적 조성을 변경하여 잠재적인 응용 범위를 더욱 확장함으로써 박막 장치의 조정 가능한 저전압 작동을 추가로 입증했습니다.

막스 플랑크 미세구조물리학 연구소(Max Planck Institute of Microstructure Physics) 그룹은 단결정 T-Nb2O5 박막의 성장을 실현하고 리튬 이온 삽입이 어떻게 전기 전도도를 극적으로 증가시킬 수 있는지 보여주었습니다. 캠브리지 대학 그룹과 함께 리튬 이온의 농도가 변화함에 따라 물질 구조에서 이전에 알려지지 않은 여러 전이가 발견되었습니다. 이러한 전이는 재료의 전자적 특성을 변화시켜 절연체에서 금속으로 전환할 수 있도록 합니다. 즉, 전류 차단에서 전도로 전환됩니다. 펜실베니아 대학의 연구자들은 그들이 관찰한 다중 상전이뿐만 아니라 이러한 상이 리튬 이온의 농도 및 결정 구조 내 배열과 어떻게 관련될 수 있는지를 합리화했습니다.