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Aug 13, 2023

Percée iontronique : des dispositifs à couche mince plus rapides pour des batteries améliorées et une informatique avancée

Par Institut Max Planck de physique des microstructures, 13 août 2023 La migration rapide des ions Li le long des canaux verticaux 2D de la couche mince de T-Nb2O5 entraîne une transition isolant-métal colossale.

Par Institut Max Planck de physique des microstructures13 août 2023

La migration rapide des ions Li le long des canaux verticaux 2D du film mince T-Nb2O5 entraîne une transition isolant-métal colossale. Les polyèdres bleus et violets désignent respectivement les réseaux T-Nb2O5 non lithiés et lithiés. Les sphères vert vif représentent les ions Li. Crédit : MPI de Physique des Microstructures, Patricia Bondia

Une équipe internationale découvre de nouveaux films minces d'oxyde monocristallin présentant des changements rapides et spectaculaires dans les propriétés électriques via l'intercalation Li-ion via des canaux de transport ioniques techniques.

Les chercheurs ont été pionniers dans la création de films minces T-Nb2O5 qui permettent un mouvement plus rapide du Li-ion. Cette réalisation, promettant des batteries plus efficaces et des progrès en matière d’informatique et d’éclairage, marque un bond en avant significatif dans le domaine de l’iontronique.

Une équipe de recherche internationale, composée de membres de l'Institut Max Planck de physique des microstructures de Halle (Saale), en Allemagne, de l'Université de Cambridge, au Royaume-Uni, et de l'Université de Pennsylvanie, aux États-Unis, a signalé une avancée importante dans la science des matériaux. Ils ont réalisé la première réalisation de films minces monocristallins de T-Nb2O5, présentant des canaux de transport ionique verticaux bidimensionnels (2D). Cela se traduit par une transition isolant-métal rapide et significative via l’intercalation Li-ion dans les canaux 2D.

Depuis les années 1940, les scientifiques étudient le potentiel de l’oxyde de niobium, en particulier une forme d’oxyde de niobium connue sous le nom de T-Nb2O5, pour améliorer l’efficacité des batteries. Ce matériau unique possède la capacité de faciliter rapidement le mouvement des ions lithium, qui sont les particules chargées indispensables au fonctionnement des batteries. Un mouvement plus rapide des ions lithium se traduit par une charge plus rapide de la batterie.

Cependant, la transformation de ce matériau d’oxyde de niobium en films minces de haute qualité destinés à être utilisés dans des applications pratiques a toujours posé un défi de taille. Cela découle de la structure complexe du T-Nb2O et de l’existence de multiples formes similaires, ou polymorphes, d’oxyde de niobium.

Hyeon Han et Stuart Parkin devant le système de dépôt laser pulsé (Pascal Co., Ltd., Ibaraki, Japon) de l'Institut Max Planck de physique des microstructures qui a été utilisé pour créer les films monocristallins de T-Nb2O5 utilisés dans l'étude. Crédit : MPI de Physique des Microstructures, Eric Geißler

Dans un article publié le 27 juillet dans la revue Nature Materials, des chercheurs de l'Institut Max Planck de physique des microstructures de l'Université de Cambridge et de l'Université de Pennsylvanie ont démontré avec succès la croissance de films minces monocristallins de haute qualité de T-Nb2O5, aligné de manière à ce que les ions lithium puissent se déplacer encore plus rapidement le long des canaux de transport ioniques verticaux.

Les films de T-Nb2O5 subissent un changement électrique significatif à un stade précoce de l'insertion du Li dans les films initialement isolants. Il s’agit d’un changement radical : la résistivité du matériau diminue d’un facteur 100 milliards. L'équipe de recherche démontre en outre le fonctionnement accordable et basse tension des dispositifs à couche mince en modifiant la composition chimique de l'électrode « grille », un composant qui contrôle le flux d'ions dans un dispositif, élargissant ainsi les applications potentielles.

Le groupe de physique des microstructures de l'Institut Max Planck a réalisé la croissance des films minces monocristallins de T-Nb2O5 et a montré comment l'intercalation Li-ion peut augmenter considérablement leur conductivité électrique. En collaboration avec le groupe de l'Université de Cambridge, de multiples transitions jusqu'alors inconnues dans la structure du matériau ont été découvertes lorsque la concentration en ions lithium était modifiée. Ces transitions modifient les propriétés électroniques du matériau, lui permettant de passer du statut d’isolant à celui de métal, ce qui signifie qu’il passe du statut de blocage du courant électrique à celui de conducteur. Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont rationalisé les transitions de phases multiples qu'ils ont observées, ainsi que la manière dont ces phases pourraient être liées à la concentration d'ions lithium et à leur disposition dans la structure cristalline.