Jak transportować ładunki w tlenkach metali przejściowych

Wiele materiałów z tlenków funkcjonalnych, ważnych dla branży układów scalonych, ma także istotne znaczenie dla systemów magazynowania energii, potrzebnych do efektywnego wykorzystania nieregularnie działających źródeł energii, takich jak systemy wiatrowe czy słoneczne. Pomimo tych współzależności, badania nad właściwościami materiałów w obu dziedzinach są w dużej mierze prowadzone osobno.

Uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu ELIOT (Electronic and ionic transport in functional oxides) zbudowali pomost między tymi obszarami wiedzy, badając wpływ produkcji i właściwości fizycznych materiałów na transport ładunków w tych tlenkach.

Jako przedmiot badań wybrano tlenki metali przejściowych, ich właściwości elektrochemiczne i fizykochemiczne oraz wpływ technik i warunków osadzania materiałów na transport ładunków. Badano zastosowania w zakresie pamięci nieulotnej i magazynowania energii, ze szczególnym uwzględnieniem, odpowiednio, mobilności elektronów i jonów. Poznanie tych mechanizmów może ułatwić tworzenie lepszych materiałów w obu dziedzinach.

Obiecującą alternatywą dla urządzeń pamięci flash, pozwalającą pokonać ich ograniczenia w zakresie pojemności i prędkości, jest wykorzystanie tlenków metali charakteryzujących się przełączaniem oporowym. Pierwszym celem projektu było zidentyfikowanie materiałów, w których duża skalowalna zmiana oporu wobec przyłożonych impulsów napięcia wynika ze zjawisk związanych ze skorelowanymi elektronami.

Tlenki metali przejściowych o wysokiej ruchliwości jonów, ale niskiej przewodności elektrycznej mogą znaleźć zastosowanie jako elektrolity stałe w ogniwach paliwowych. Materiały o dużej pojemności magazynowania litu (niskiej ruchliwości) i dobrej przewodności elektrycznej mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w elektrodach.

Badania objęły proste tlenki dwuskładnikowe, takie jak tlenek wanadu lub tytanu (VO2 i TiO2). Oceniono także bardziej złożone tlenki, np. łączące samarek z niklem (SmNiO3) czy lit i mangan (LiMn2O4).

W przypadku VO2 i SmNiO3 wykazano przechodzenie od metalu do izolatora, od dobrej do niskiej przewodności ładunku, pod wpływem działania temperatury. TiO2 i LiMn2O4 określono jako obiecujące materiały na elektrody akumulatorów, a tlenek litu i manganu okazał się potencjalnie nadawać do zastosowania jako elektrolit stały.

Pełniejsza wiedza na temat czynników wpływających na ruchliwość elektronów i jonów w tlenkach metali przejściowych może zaowocować przełomowymi odkryciami w ważnych ze społeczno-ekonomicznego punktu widzenia dziedzinach, takich jak pamięć ulotna i magazynowanie energii. Projekt ELIOT utorował drogę ku opartemu na dowodach naukowych opracowywaniu zaawansowanych materiałów do tych, jak i innych zastosowań.