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Uma equipe de pesquisa internacional do Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle (Saale), Alemanha, da Universidade de Cambridge, Reino Unido e da Universidade da Pensilvânia, EUA, relatou a primeira realização de monocristalino T-Nb2O5 filmes finos com canais de transporte iônico verticais bidimensionais (2D), o que resulta em uma rápida e colossal transição isolante-metal via intercalação de íons de lítio através dos canais 2D.
Desde a década de 1940, os cientistas vêm explorando o uso de óxido de nióbio, especificamente uma forma de óxido de nióbio conhecida como T-Nb2O5, para criar baterias mais eficientes. Este material único é conhecido por sua capacidade de permitir que os íons de lítio, as minúsculas partículas carregadas que fazem as baterias funcionarem, se movam rapidamente dentro dele. Quanto mais rápido esses íons de lítio podem se mover, mais rápido a bateria pode ser carregada.
O desafio, no entanto, sempre foi crescer esse material de óxido de nióbio em camadas finas e planas, ou ‘filmes’, com qualidade alta o suficiente para serem usados em aplicações práticas. Este problema decorre da complexa estrutura de T-Nb2O5 e a existência de muitas formas semelhantes, ou polimorfos, de óxido de nióbio.
Agora, em um artigo publicado na Materiais da Naturezapesquisadores 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 de cristal único de alta qualidade de T-Nb2O5alinhados de tal forma que os íons de lítio podem se mover ainda mais rápido ao longo dos canais verticais de transporte iônico.
O T-Nb2O5 os filmes sofrem uma mudança elétrica significativa em um estágio inicial de inserção de Li nos filmes inicialmente isolantes. Esta é uma mudança dramática – a resistividade do material diminui por um fator de 100 bilhões. A equipe de pesquisa demonstra ainda a operação sintonizável e de baixa voltagem de dispositivos de filme fino, 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 Max Planck Institute of Microstructure Physics percebeu o crescimento do monocristalino T-Nb2O5 filmes finos 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 anteriormente desconhecidas na estrutura do material foram descobertas à medida que a concentração de íons de lítio foi alterada. Essas transições alteram as propriedades eletrônicas do material, permitindo que ele passe de isolante a metal, o que significa que ele 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.
Esses resultados só poderiam ter dado certo por meio de sinergias entre os três grupos internacionais com especialidades diversas: filmes finos do Instituto Max Planck de Física de Microestruturas, baterias da Universidade de Cambridge e teoria da Universidade da Pensilvânia.
“Ao aproveitar o potencial de T-Nb2O5 passar por transições colossais entre metal e isolante, abrimos um caminho empolgante para a exploração de soluções eletrônicas e de armazenamento de energia de última geração”, diz o primeiro autor Hyeon Han, do Max Planck Institute of Microstructure Physics.
“O que fizemos foi encontrar uma maneira de mover os íons de lítio de uma forma que não perturbe a estrutura cristalina do T-Nb2O5 filmes finos, o que significa que os íons podem se mover significativamente mais rápido.”, diz Andrew Rappe, da Universidade da Pensilvânia. “Esta mudança dramática permite uma série de aplicações potenciais, desde computação de alta velocidade até iluminação com eficiência energética e muito mais.”
Clare P. Gray, da Universidade de Cambridge, comenta que “a capacidade de controlar a orientação desses filmes nos permite explorar o transporte anisotrópico nessa classe de materiais tecnologicamente importante, que é fundamental para nossa compreensão de como esses materiais operam”.
“Esta pesquisa é uma prova do poder de uma colaboração interdisciplinar de teoria e experimento e uma curiosidade científica insaciável”, diz Stuart SP Parkin, do Max Planck Institute of Microstructure Physics. “Nossa compreensão T-Nb2O5 e materiais complexos semelhantes foram substancialmente aprimorados, levando esperamos a um futuro mais sustentável e eficiente, aproveitando o campo muito interessante da iontrônica que vai além da eletrônica baseada em carga de hoje.”
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