由德國哈勒（薩勒）馬克斯-普朗克微結構物理研究所、英國劍橋大學和美國賓夕法尼亞大學的成員組成的國際研究小組報告了材料科學領域的一項重要突破。他們首次實現了單晶T-Nb2O5 薄膜，該薄膜呈現出二維（2D）垂直離子傳輸通道。通過鋰離子在二維通道中的插層，實現了迅速而顯著的絕緣體-金屬轉變。

鋰離子沿著T-Nb2O5 薄膜的二維垂直通道快速遷移，導致了巨大的絕緣體-金屬轉變。藍色和紫色多面體分別表示非鋰化和鋰化T-Nb2O5 晶格。亮綠色球體代表鋰離子。資料來源：微結構物理研究所，Patricia Bondia

自20 世紀40 年代以來，科學家們一直在研究氧化鈮，特別是一種被稱為T-Nb2O5 的氧化鈮，在提高電池效率方面的潛力。這種獨特的材料具有快速促進鋰離子運動的能力，而鋰離子是電池功能不可或缺的帶電粒子。鋰離子移動速度越快，電池充電速度就越快。

然而，將這種氧化鈮材料培育成可用於實際應用的高質量薄膜一直是一個巨大的挑戰。這是因為T-Nb2O 的結構複雜，而且存在多種類似的氧化鈮形態或多晶體。

Hyeon Han 和Stuart Parkin 在馬克斯-普朗克微結構物理研究所的脈衝激光沉積系統（帕斯卡爾有限公司，日本茨城）前。資料來源：微結構物理研究所，Eric Geißler

現在，來自馬克斯-普朗克微結構物理研究所、劍橋大學和賓夕法尼亞大學的研究人員在7 月27 日發表在《自然-材料》（Nature Materials）雜誌上的一篇論文中，成功地展示了高質量T-Nb2O5 單晶薄膜的生長過程，這種薄膜的排列方式使得鋰離子可以沿著垂直離子傳輸通道以更快的速度移動。

觀察結果和影響

T-Nb2O5 薄膜在鋰插入初始絕緣薄膜的早期階段就發生了顯著的電性變化。這是一個巨大的變化–材料的電阻率降低了1000 億倍。研究小組通過改變”柵極”電極（一種控制設備中離子流動的元件）的化學成分，進一步展示了薄膜設備的可調式低壓運行，從而進一步拓展了其潛在應用領域。

馬克斯-普朗克微結構物理研究所小組實現了單晶T-Nb2O5 薄膜的生長，並展示了鋰離子插層如何顯著提高其導電能力。他們與劍橋大學的研究小組一起發現，隨著鋰離子濃度的變化，材料結構中出現了多種以前未知的轉變。這些轉變改變了材料的電子特性，使其從絕緣體轉變為金屬，即從阻擋電流轉變為傳導電流。賓夕法尼亞大學的研究人員合理解釋了他們觀察到的多種相變，以及這些相變可能與鋰離子的濃度及其在晶體結構中的排列有什麼關係。

合作與未來展望

這項研究的成功離不開三個國際小組的通力合作，每個小組都貢獻了自己獨特的專業知識：馬克斯-普朗克微結構物理研究所的薄膜、劍橋大學的電池以及賓夕法尼亞大學的理論見解。

第一作者、馬克斯-普朗克微結構物理研究所的Hyeon Han 說：”通過挖掘T-Nb2O5 發生巨大絕緣體-金屬轉變的潛力，我們為下一代電子器件和儲能解決方案的探索開闢了一條令人興奮的道路。”

賓夕法尼亞大學的安德魯-拉佩（Andrew Rappe）說：”我們所做的就是找到了一種不破壞T-Nb2O5 薄膜晶體結構的鋰離子移動方式，這意味著離子移動速度可以大大加快。這種巨大的轉變帶來了一系列潛在的應用，從高速計算到節能照明等等。”

劍橋大學的克萊爾-格雷（Clare P. Grey）評論說：”控制這些薄膜取向的能力使我們能夠探索這一類具有重要技術意義的材料的各向異性傳輸，這對我們了解這些材料的運行方式至關重要。”

馬克斯-普朗克微結構物理研究所的斯圖爾特-帕金（Stuart SP Parkin）說：”這項研究證明了跨學科實驗-理論合作的力量以及永不滿足的科學好奇心。我們對T-Nb2O5和類似複雜材料的理解得到了大幅提升，我們希望通過利用非常有趣的離子電子學領域，超越當今基於電荷的電子學，從而實現更加可持續和高效的未來。”