Dispositivi a film sottile più veloci per l'accumulo di energia a

Un team internazionale trova nuovi film sottili di ossido monocristallino con cambiamenti rapidi e drammatici nelle proprietà elettriche tramite l'intercalazione degli ioni di litio attraverso canali di trasporto ionico ingegnerizzati.

Istituto Max Planck per la fisica delle microstrutture

immagine: La rapida migrazione degli ioni Li lungo i canali verticali 2D del film sottile T-Nb2O5 si traduce in una colossale transizione isolante-metallo. I poliedri blu e viola denotano rispettivamente reticoli T-Nb2O5 non litiati e litiati. Le sfere verde brillante rappresentano gli ioni Li.vedere di più

Credito: MPI di fisica della microstruttura, Patricia Bondia

Un gruppo di ricerca internazionale del Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle (Saale), Germania, dell'Università di Cambridge, Regno Unito e dell'Università della Pennsylvania, USA ha riportato la prima realizzazione di film sottili monocristallini T-Nb2O5 aventi struttura bidimensionale (2D) canali di trasporto ionico verticali, che si traducono in una rapida e colossale transizione isolante-metallo tramite intercalazione di ioni Li attraverso i canali 2D.

Sin dagli anni ’40, gli scienziati hanno esplorato l’uso dell’ossido di niobio, in particolare una forma di ossido di niobio nota come T-Nb2O5, per creare batterie più efficienti. Questo materiale unico è noto per la sua capacità di consentire agli ioni di litio, le minuscole particelle cariche che fanno funzionare le batterie, di muoversi rapidamente al suo interno. Quanto più velocemente questi ioni di litio possono muoversi, tanto più velocemente la batteria può essere caricata.

La sfida, tuttavia, è sempre stata quella di far crescere questo materiale di ossido di niobio in strati sottili e piatti, o "film", di qualità sufficientemente elevata da poter essere utilizzato in applicazioni pratiche. Questo problema deriva dalla struttura complessa del T-Nb2O5 e dall'esistenza di molte forme simili, o polimorfi, dell'ossido di niobio.

Ora, in un articolo pubblicato inMateriali naturali, ricercatori del Max Planck Institute of Microstructure Physics, dell'Università di Cambridge e dell'Università della Pennsylvania hanno dimostrato con successo la crescita di film sottili monocristallini di alta qualità di T-Nb2O5, allineati in modo tale che gli ioni di litio possano muoversi ancora più velocemente lungo i canali di trasporto ionico verticali.

I film di T-Nb2O5 subiscono un cambiamento elettrico significativo nella fase iniziale dell'inserimento del Li nei film inizialmente isolanti. Si tratta di un cambiamento drammatico: la resistività del materiale diminuisce di un fattore di 100 miliardi. Il team di ricerca dimostra inoltre il funzionamento sintonizzabile e a bassa tensione dei dispositivi a film sottile alterando la composizione chimica dell'elettrodo "gate", un componente che controlla il flusso di ioni in un dispositivo, estendendo ulteriormente le potenziali applicazioni.

Il gruppo del Max Planck Institute of Microstructure Physics ha realizzato la crescita dei film sottili monocristallini di T-Nb2O5 e ha mostrato come l’intercalazione degli ioni di litio può aumentare notevolmente la loro conduttività elettrica. Insieme al gruppo dell'Università di Cambridge sono state scoperte molteplici transizioni precedentemente sconosciute nella struttura del materiale poiché la concentrazione degli ioni di litio veniva modificata. Queste transizioni modificano le proprietà elettroniche del materiale, permettendogli di passare dall’essere un isolante a un metallo, ovvero dal bloccare la corrente elettrica al condurla. I ricercatori dell’Università della Pennsylvania hanno razionalizzato le molteplici transizioni di fase osservate, nonché il modo in cui queste fasi potrebbero essere correlate alla concentrazione degli ioni di litio e alla loro disposizione all’interno della struttura cristallina.

Questi risultati avrebbero potuto avere successo solo grazie alle sinergie tra i tre gruppi internazionali con diverse specialità: film sottili del Max Planck Institute of Microstructure Physics, batterie dell’Università di Cambridge e teoria dell’Università della Pennsylvania.

“Sfruttando il potenziale del T-Nb2O5 di subire colossali transizioni isolante-metallo, abbiamo aperto una strada entusiasmante per l’esplorazione di soluzioni elettroniche e di stoccaggio dell’energia di prossima generazione”, afferma il primo autore Hyeon Han del Max Planck Institute of Microstructure Physics .