La migration rapide des ions Li le long des canaux verticaux 2D du film mince de T-Nb2O5 entraîne une transition isolant-métal colossale. Les polyèdres bleu et violet désignent respectivement les réseaux de T-Nb2O5 non lithié et lithié. 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 avec des changements rapides et spectaculaires des propriétés électriques via l’intercalation Li-ion via des canaux de transport ioniques conçus.
Les chercheurs ont été les pionniers de la création de couches minces de T-Nb2O5 qui permettent un mouvement Li-ion plus rapide. Cette réalisation, promettant des batteries plus performantes et des avancées dans l’informatique et l’éclairage, marque un bond en avant significatif dans 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 percée importante dans la science des matériaux. Ils ont réalisé la première réalisation de monocristallin J-Nb2O5 couches minces, présentant des canaux de transport ionique verticaux bidimensionnels (2D). Il en résulte une transition isolant-métal rapide et significative par intercalation Li-ion dans les canaux 2D.
Depuis les années 1940, les scientifiques ont étudié 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.
Le défi et la percée
Cependant, la croissance de ce matériau d’oxyde de niobium en films minces de haute qualité à utiliser dans des applications pratiques a toujours posé un défi important. Cela tient à la structure complexe de J-Nb2O et 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) à l’Institut Max Planck de physique des microstructures qui a été utilisé pour créer le monocristallin J-Nb2O5 films utilisés dans l’étude. Crédit : MPI de physique des microstructures, Eric Geißler
Or, dans un article publié le 27 juillet dans la revue Nature Matériauxdes chercheurs du Max Planck Institute of Microstructure Physics de l’Université de Cambridge et de l’Université de Pennsylvanie ont démontré avec succès la croissance de couches minces monocristallines de haute qualité de J-Nb2O5alignés de manière à ce que les ions lithium puissent se déplacer encore plus rapidement le long des canaux de transport ioniques verticaux.
Observations et implications
Le J-Nb2O5 les films subissent un changement électrique significatif à un stade précoce de l’insertion de Li dans les films initialement isolants. C’est un changement spectaculaire – la résistivité du matériau diminue d’un facteur de 100 milliards. L’équipe de recherche démontre en outre le fonctionnement accordable et à basse tension des dispositifs à couches minces en modifiant la composition chimique de l’électrode « grille », un composant qui contrôle le flux d’ions dans un dispositif, étendant encore les applications potentielles.
Le groupe Max Planck Institute of Microstructure Physics a réalisé la croissance du monocristallin J-Nb2O5 couches minces et a montré comment l’intercalation Li-ion peut augmenter considérablement leur conductivité électrique. En collaboration avec le groupe de l’Université de Cambridge, plusieurs transitions auparavant inconnues dans la structure du matériau ont été découvertes lorsque la concentration d’ions lithium a été modifiée. Ces transitions modifient les propriétés électroniques du matériau, lui permettant de passer d’isolant à métal, c’est-à-dire de bloquer le courant électrique pour le conduire. 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.
Collaboration et perspectives d’avenir
Le succès de cette recherche dépendait de l’effort de collaboration des trois groupes internationaux, chacun apportant son expertise unique : les couches minces de l’Institut Max Planck de physique des microstructures, les batteries de l’Université de Cambridge et les connaissances théoriques de l’Université de Pennsylvanie.
« En exploitant le potentiel de J-Nb2O5 pour subir des transitions colossales isolant-métal, nous avons ouvert une voie passionnante pour l’exploration de solutions électroniques et de stockage d’énergie de nouvelle génération », déclare le premier auteur Hyeon Han de l’Institut Max Planck de physique des microstructures.
« Ce que nous avons fait, c’est trouver un moyen de déplacer les ions lithium d’une manière qui ne perturbe pas la structure cristalline du J-Nb2O5 des films minces, ce qui signifie que les ions peuvent se déplacer beaucoup plus rapidement », explique Andrew Rappe de l’Université de Pennsylvanie. « Ce changement radical permet une gamme d’applications potentielles, de l’informatique à haute vitesse à l’éclairage économe en énergie et plus encore. »
Clare P. Gray de l’Université de Cambridge commente que « La capacité de contrôler l’orientation de ces films nous permet d’explorer le transport anisotrope dans cette classe de matériaux technologiquement importante, ce qui est fondamental pour notre compréhension du fonctionnement de ces matériaux. »
« Cette recherche témoigne de la puissance d’une collaboration interdisciplinaire expérience-théorie et d’une curiosité scientifique insatiable », déclare Stuart SP Parkin, de l’Institut Max Planck de physique des microstructures. « Notre compréhension de J-Nb2O5 et des matériaux complexes similaires ont été considérablement améliorés, conduisant, nous l’espérons, à un avenir plus durable et plus efficace, en tirant parti du domaine très intéressant de l’iontronique qui va au-delà de l’électronique basée sur la charge d’aujourd’hui.
Cette recherche a été soutenue par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (Grant No 737109); une chaire Alexander von Humboldt attribuée au SSPP ; le Département américain de l’énergie, Office of Science, Basic Energy Sciences (Award # DE-SC0019281); le projet CATMAT de l’Institut Faraday (FIRG016) ; l’Office of Naval Research, (Grant N00014-20-1-2701); le National Energy Research Scientific Computing Center du DOE et le High-Performance Computing Modernization Office (HPCMO) du département américain de la Défense.
