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Jan 09, 2024

Avanço da Iontronics: Dispositivos de película fina mais rápidos para baterias aprimoradas e computação avançada

Por Instituto Max Planck de Física de Microestrutura 13 de agosto de 2023 A rápida migração de íons de lítio ao longo dos canais verticais 2D do filme fino T-Nb2O5 resulta em uma colossal transição metal isolante.

Por Instituto Max Planck de Física de Microestrutura 13 de agosto de 2023

A rápida migração de íons Li ao longo dos canais verticais 2D do filme fino T-Nb2O5 resulta em uma colossal transição metal isolante. Os poliedros azuis e roxos denotam redes de T-Nb2O5 não litiadas e litiadas, respectivamente. As esferas verdes brilhantes representam íons Li. Crédito: MPI de Física de Microestrutura, Patricia Bondia

Uma equipe internacional encontra novos filmes finos de óxido monocristalino com mudanças rápidas e dramáticas nas propriedades elétricas por meio da intercalação de íons de lítio por meio de canais de transporte iônico projetados.

Os pesquisadores foram pioneiros na criação de filmes finos de T-Nb2O5 que permitem um movimento mais rápido de íons de lítio. Esta conquista, que promete baterias mais eficientes e avanços na computação e na iluminação, marca um avanço significativo na iontrónica.

Uma equipe de pesquisa internacional, composta por membros do Instituto Max Planck de Física de Microestruturas, Halle (Saale), Alemanha, da Universidade de Cambridge, Reino Unido, e da Universidade da Pensilvânia, EUA, relatou um importante avanço na ciência dos materiais. Eles alcançaram a primeira realização de filmes finos de T-Nb2O5 monocristalinos, exibindo canais de transporte iônico verticais bidimensionais (2D). Isso resulta em uma transição rápida e significativa do metal isolante através da intercalação de íons de lítio nos canais 2D.

Desde a década de 1940, os cientistas têm investigado o potencial do óxido de nióbio, especificamente uma forma de óxido de nióbio conhecida como T-Nb2O5, para aumentar a eficiência da bateria. Este material único possui a capacidade de facilitar rapidamente o movimento dos íons de lítio, que são as partículas carregadas essenciais ao funcionamento das baterias. Um movimento mais rápido dos íons de lítio se traduz em um carregamento mais rápido da bateria.

No entanto, o cultivo deste material de óxido de nióbio em filmes finos e de alta qualidade para serem utilizados em aplicações práticas sempre representou um desafio significativo. Isso decorre da estrutura complexa do T-Nb2O e da existência de múltiplas formas semelhantes, ou polimorfos, de óxido de nióbio.

Hyeon Han e Stuart Parkin em frente ao sistema de deposição de laser pulsado (Pascal Co., Ltd., Ibaraki, Japão) no Instituto Max Planck de Física de Microestrutura que foi usado para criar os filmes monocristalinos de T-Nb2O5 usados ​​no estudo. Crédito: MPI de Física de Microestrutura, Eric Geißler

Agora, em um artigo publicado em 27 de julho na revista Nature Materials, pesquisadores do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura, da Universidade de Cambridge e da Universidade da Pensilvânia demonstraram com sucesso o crescimento de filmes finos monocristalinos de alta qualidade de T-Nb2O5, alinhado de tal forma que os íons de lítio podem se mover ainda mais rápido ao longo dos canais verticais de transporte iônico.

Os filmes de T-Nb2O5 sofrem uma mudança elétrica significativa numa fase inicial da inserção de Li nos filmes inicialmente isolantes. Esta é uma mudança dramática – a resistividade do material diminui por um factor de 100 mil milhões. A equipe de pesquisa demonstra ainda a operação sintonizável e de baixa tensão de dispositivos de película fina, alterando a composição química do eletrodo 'gate', um componente que controla o fluxo de íons em um dispositivo, ampliando ainda mais as aplicações potenciais.

O grupo do Instituto Max Planck de Física de Microestrutura percebeu o crescimento dos filmes finos monocristalinos de T-Nb2O5 e mostrou como a intercalação de íons de lítio pode aumentar drasticamente sua condutividade elétrica. Juntamente com o grupo da Universidade de Cambridge, várias transições até então desconhecidas na estrutura do material foram descobertas à medida que a concentração de íons de lítio era alterada. Essas transições alteram as propriedades eletrônicas do material, permitindo que ele passe de isolante a metal, o que significa que passa de bloqueador de corrente elétrica a condutor. Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia racionalizaram as múltiplas transições de fase que observaram, bem como como essas fases podem estar relacionadas à concentração de íons de lítio e seu arranjo dentro da estrutura cristalina.