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Jan 09, 2024

La svolta di Iontronics: dispositivi a film sottile più veloci per batterie migliorate e elaborazione avanzata

Di Max Planck Institute of Microstructure Physics13 agosto 2023 La rapida migrazione degli ioni di litio lungo i canali verticali 2D del film sottile T-Nb2O5 si traduce in una colossale transizione isolante-metallo.

Di Max Planck Institute of Microstructure Physics13 agosto 2023

La rapida migrazione degli ioni di litio lungo i canali verticali 2D del film sottile di T-Nb2O5 provoca 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. Credito: MPI di fisica della microstruttura, Patricia Bondia

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.

I ricercatori sono stati pionieri nella creazione di film sottili di T-Nb2O5 che consentono un movimento più rapido degli ioni di litio. Questo risultato, che promette batterie più efficienti e progressi nel campo dell’informatica e dell’illuminazione, segna un significativo passo avanti nel campo della ionica.

Un gruppo di ricerca internazionale, composto da membri del Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle (Saale), Germania, dell'Università di Cambridge, Regno Unito, e dell'Università della Pennsylvania, Stati Uniti, ha riportato un importante passo avanti nella scienza dei materiali. Hanno ottenuto la prima realizzazione di film sottili monocristallini di T-Nb2O5, che mostrano canali di trasporto ionico verticali bidimensionali (2D). Ciò si traduce in una transizione isolante-metallo rapida e significativa attraverso l’intercalazione degli ioni di litio nei canali 2D.

Sin dagli anni ’40, gli scienziati hanno studiato il potenziale dell’ossido di niobio, in particolare una forma di ossido di niobio nota come T-Nb2O5, per migliorare l’efficienza della batteria. Questo materiale unico possiede la capacità di facilitare rapidamente il movimento degli ioni di litio, che sono le particelle cariche parte integrante del funzionamento delle batterie. Un movimento più rapido degli ioni di litio si traduce in una ricarica più rapida della batteria.

Tuttavia, la trasformazione di questo materiale a base di ossido di niobio in pellicole sottili e di alta qualità da utilizzare in applicazioni pratiche ha sempre rappresentato una sfida significativa. Ciò deriva dalla struttura complessa del T-Nb2O e dall’esistenza di molteplici forme simili, o polimorfi, dell’ossido di niobio.

Hyeon Han e Stuart Parkin davanti al sistema di deposizione laser pulsato (Pascal Co., Ltd., Ibaraki, Giappone) presso l'Istituto Max Planck di fisica delle microstrutture utilizzato per creare i film monocristallini di T-Nb2O5 utilizzati nello studio. Crediti: MPI di fisica delle microstrutture, Eric Geißler

Ora, in un articolo pubblicato il 27 luglio sulla rivista Nature Materials, i 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, allineato 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.