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氧化鈮的多晶體-T-Nb₂O₅已被廣泛研究，特別是在快充電池和電化學（贗）電容器中的應用。T-Nb₂O₅的晶體結構為二維（2D）層，具有極低的空間位阻，可實現鋰離子的快速遷移。

然而，自1941年發現它以來，其單晶薄膜的生長及其電子應用尚未實現，這可能是由于其大的正交晶胞以及許多多晶型的存在。

?三單位Nature Materials：具有垂直離子傳輸通道的單晶T-Nb2O5薄膜

圖1 外延T-Nb₂O₅薄膜的結構

馬克斯-普朗克微結構物理研究所Stuart S. P. Parkin、Hyeon Han、劍橋大學Clare P. Grey、賓夕法尼亞大學Andrew M. Rappe等實現了單晶外延T-Nb₂O₅薄膜的生長，其垂直方向的二維通道為離子的快速遷移提供了路徑。此外，這種形態使人們能夠通過全面的原位和非原位實驗來研究鋰-離子液體門控過程中電子和結構特性的演變。

研究顯示，隨著鋰濃度的增加，這些實驗揭示了尚未探索的相變順序，包括正交絕緣體、正交金屬、單斜金屬和退化絕緣相。DFT 計算進一步證明單斜相（近似 Li₁Nb₂O₅）在能量上是有利的金屬相。鋰離子遷移產生的費米能附近的缺陷電子態會導致電阻率的突然變化。

因此，具有垂直離子傳輸通道的T-Nb₂O₅薄膜在鋰插入最初絕緣的d⁰薄膜的早期階段就發生了巨大的電性變化，造成了巨大的絕緣體-金屬轉變，導致電阻率下降了11個數量級。

圖2 鋰離子嵌入T-Nb₂O₅的有序結構相變

與最佳電化學材料之一的WO₃薄膜相比，T-Nb₂O₅薄膜通過鋰的相互作用顯示出更大更快的電阻變化和更寬的電壓工作范圍。此外，孿生T-Nb₂O₅器件之間的耦合電子響應是通過彼此間的離子交換實現的。

這項工作展示了一種實驗-理論協同方法，可用于開發新的離子導流器件，包括薄膜電池、電致變色器件、神經形態器件和電化學隨機存取存儲器等多種應用。

圖3 外延T-Nb2O₅薄膜的電化學和電子性能

Li iontronics in single-crystalline T-Nb2O5 thin films with vertical ionic transport channels. Nature Materials 2023. DOI: 10.1038/s41563-023-01612-2

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