德国哈雷(萨勒)马克斯·普朗克微结构物理研究所、英国剑桥大学和宾夕法尼亚大学的国际研究团队首次实现了单晶T -Nb 2 O 5薄膜二维(2D)垂直离子传输通道，通过锂离子嵌入二维通道，导致快速、巨大的绝缘体-金属转变。

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自 20 世纪 40 年代以来，科学家们一直在探索使用铌氧化物，特别是一种称为T -Nb 2 O 5的铌氧化物，来制造更高效的电池。这种独特的材料因其能够让锂离子(使电池工作的微小带电粒子)在其中快速移动而闻名。这些锂离子移动得越快，电池充电的速度就越快。

然而，挑战始终是将这种铌氧化物材料生长成薄而平坦的层或“薄膜”，其质量足够高以用于实际应用。这个问题源于T -Nb 2 O 5的复杂结构以及氧化铌的许多相似形式或多晶型物的存在。

现在，在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，来自剑桥大学马克斯·普朗克微结构物理研究所和宾夕法尼亚大学的研究人员成功展示了T -Nb 2 O 5的高质量单晶薄膜的生长，以这样的方式排列，使得锂离子可以沿着垂直离子传输通道移动得更快。

T -Nb 2 O 5膜在Li插入初始绝缘膜的早期阶段经历显着的电学变化。这是一个巨大的转变——材料的电阻率降低了 1000 亿倍。研究团队通过改变“栅”电极(控制器件中离子流动的组件)的化学成分，进一步证明了薄膜器件的可调和低电压操作，进一步扩展了潜在的应用。

马克斯普朗克微结构物理研究所团队实现单晶T -Nb 2 O 5的生长薄膜，并展示了锂离子嵌入如何显着提高其电导率。与剑桥大学的研究小组一起，随着锂离子浓度的变化，发现了材料结构中多个以前未知的转变。这些转变改变了材料的电子特性，使其从绝缘体转变为金属，这意味着它从阻止电流变为传导电流。宾夕法尼亚大学的研究人员合理化了他们观察到的多个相变，以及这些相与锂离子浓度及其在晶体结构内的排列的关系。

这些成果只有通过三个具有不同专业的国际研究小组之间的协同作用才能取得成功：马克斯·普朗克微结构物理研究所的薄膜、剑桥大学的电池以及宾夕法尼亚大学的理论。

马克斯·普朗克研究所的第一作者 Hyeon Han 表示：“通过利用T -Nb 2 O 5进行巨大绝缘体-金属转变的潜力，我们为探索下一代电子和储能解决方案开辟了一条令人兴奋的途径。”微观结构物理学。

“我们所做的是找到一种在不破坏T -Nb 2 O 5薄膜晶体结构的情况下移动锂离子的方法，这意味着离子可以明显更快地移动。”宾夕法尼亚大学。“这种巨大的转变带来了一系列潜在的应用，从高速计算到节能照明等等。”

剑桥大学的 Clare P. Gray 评论道：“控制这些薄膜方向的能力使我们能够探索这类技术上重要的材料中的各向异性传输，这对于我们理解这些材料的运作方式至关重要。”

马克斯·普朗克微观结构物理研究所的 Stuart SP Parkin 表示：“这项研究证明了跨学科实验理论合作的力量和永不满足的科学好奇心。” “我们对T -Nb 2 O 5和类似复杂材料的理解得到了显着增强，这使我们希望通过利用超越当今基于电荷的电子学的非常有趣的离子电子学领域来实现更加可持续和高效的未来。”