Учёные получили тонкоплёночные устройства для применения в аккумуляторах и электронике

Международная исследовательская группа сообщила о получении первых монокристаллических тонких плёнок T-Nb₂O₅ с двумерными (2D) вертикальными ионными транспортными каналами.  Это может обеспечить быстрый переход изолятор-металл, благодаря интеркаляции ионов лития через двумерные каналы. В состав международной исследовательской группы вошли специалисты из Института физики микроструктур Макса Планка (Галле, Германия), Кембриджского университета (Великобритания), и Университета Пенсильвании (США).

Задача исследований в этом направлении всегда заключалась в том, чтобы создать из оксида ниобия тонкие плоские плёнки высокого качества, чтобы их можно было использовать на практике. Но это проблематично из-за сложной структуры T-Nb₂O₅ и существования многих подобных форм или полиморфов оксида ниобия. Недавно исследователи в своей статье, опубликованной в Nature Materials, успешно продемонстрировали выращивание высококачественных монокристаллических тонких плёнок T-Nb₂O₅. По ним ионы лития могут передвигаться с высокой скоростью по вертикальным ионно-транспортным каналам.

Пленки T-Nb₂O₅ претерпевают значительные электрические изменения на ранней стадии внедрения Li в первоначально изолирующие пленки. При этом удельное сопротивление материала снижается в 100 млрд раз. Исследователи продемонстрировали перестраиваемую работу тонкопленочных устройств при низком напряжении. Для этого они изменили химический состав «затворного» электрода компонента, управляющего потоком ионов в устройстве. Это значительно расширяет потенциальную область его применения.

Исследователи из Института физики микроструктур Макса Планка выполнили рост монокристаллических тонких пленок T-Nb₂O₅ и продемонстрировали, как интеркаляция ионов лития может резко увеличить их электропроводность. Вместе с группой учёных из Кембриджского университета они обнаружили множественные неизвестные ранее переходы в структуре материала при изменении концентрации ионов лития. Эти переходы приводят к изменению электронных свойств материала. Он из изолятора превращается в металл. То есть, переходит от блокировки электрического тока к его проводимости. Специалисты из Университета Пенсильвании объяснили наблюдаемые ими множественные фазовые переходы. А также они объяснили, как данные фазовые переходы могут быть связаны с концентрацией ионов лития, а также их расположением в кристаллической структуре материала.

Успешные результаты тестирования были достигнуты благодаря взаимодействию трёх международных групп с разными специальностями: Института физики микроструктур Макса Планка, Кембриджского университета и Пенсильванского университета. Хён Хан из Института физики микроструктур Макса Планка (ведущий автор исследования) сказал, что им удалось  открыть перспективы для исследования электроники будущего поколения, а также решений для хранения энергии. Всё это даёт потенциал оксида T-Nb₂O₅.

Эндрю Рэпп из Университета Нью-Йорка отмечает, что им удалось разработать способ перемещения ионов лития без нарушения кристаллической структуры тонких пленок T-Nb₂O₅. Это открывает работу с рядом потенциальных прикладных направлений.

Клэр П. Грей из Кембриджского университета отметил, что возможность контролировать ориентацию тонких плёнок позволяет вести исследования анизотропного переноса в данном технологически важном классе материалов. Это даёт основополагающее значение для понимания работы таких материалов. Исследование является результатом  сотрудничества специалистов из разных научных учреждений. Им удалось улучшить понимание T-Nb₂O₅ и подобных сложных материалов.