에너지 저장을 위한 더 빠른 박막 장치

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

막스 플랑크 미세구조 물리학 연구소

이미지: T-Nb2O5 박막의 2D 수직 채널을 따라 Li 이온이 빠르게 이동하면 거대한 절연체-금속 전이가 발생합니다. 파란색과 보라색 다면체는 각각 리튬화되지 않은 T-Nb2O5 격자를 나타냅니다. 밝은 녹색 구체는 Li 이온을 나타냅니다.더보기

출처: 미세구조물리학 MPI, Patricia Bondia

독일 막스플랑크 미세구조물리연구소(Max Planck Institute of Microstructure Physics), 영국 케임브리지대학교, 미국 펜실베니아대학교 국제 연구팀이 2차원 구조를 갖는 단결정 T-Nb2O5 박막을 최초로 구현했다고 보고했다. (2D) 수직 이온 수송 채널로 인해 2D 채널을 통한 Li 이온 삽입을 통해 빠르고 거대한 절연체-금속 전이가 발생합니다.

1940년대부터 과학자들은 보다 효율적인 배터리를 만들기 위해 산화니오븀, 특히 T-Nb2O5로 알려진 산화니오븀의 한 형태를 사용하는 방법을 연구해 왔습니다. 이 독특한 소재는 배터리를 작동시키는 작은 충전 입자인 리튬 이온이 그 안에서 빠르게 움직일 수 있도록 하는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 이러한 리튬 이온이 더 빠르게 움직일수록 배터리 충전 속도도 빨라집니다.

그러나 이 산화니오븀 물질을 실제 응용에 사용할 수 있을 만큼 충분히 높은 품질의 얇고 평평한 층 또는 '필름'으로 성장시키는 것이 항상 과제였습니다. 이 문제는 T-Nb2O5의 복잡한 구조와 산화니오븀의 많은 유사한 형태 또는 다형체의 존재로 인해 발생합니다.

지금, 에 발표된 논문에서자연소재막스플랑크 미세구조물리연구소(Max Planck Institute of Microstructure Physics), 케임브리지대학교, 펜실베니아대학교 연구진은 리튬 이온이 이동할 수 있도록 정렬된 T-Nb2O5의 고품질 단결정 박막 성장을 성공적으로 입증했습니다. 수직 이온 전달 채널을 따라 훨씬 더 빨라집니다.

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.

이러한 결과는 막스플랑크 미세구조 물리학 연구소의 박막, 케임브리지 대학교의 배터리, 펜실베니아 대학교의 이론 등 다양한 전문 분야를 가진 세 개의 국제 그룹 간의 시너지 효과를 통해서만 성공할 수 있었습니다.

막스플랑크 미세구조물리연구소의 한현 박사는 “T-Nb2O5의 잠재력을 활용하여 거대한 절연체-금속 전이를 활용함으로써 차세대 전자 장치 및 에너지 저장 솔루션을 탐구할 수 있는 흥미로운 길을 열었습니다”라고 말했습니다. .