Scanning af overfladen af ​​lithiumtitanat

Forskere ved Tokyo Institute of Technology, Tohoku University og University of Tokyo har anvendt avancerede scanningsmetoder til at visualisere den tidligere uudforskede overflade af en superleder:lithiumtitanat (LiTi) ₂ O ₄ ).

LiTi ₂ O ₄ er det eneste kendte eksempel på en såkaldt spineloxid-superleder. Dens sjældenhed gør LiTi ₂ O ₄ af enorm interesse for dem, der studerer oprindelsen af ​​superledning, da det har den højeste superledende overgangstemperatur (på op til 13,7 K) inden for denne gruppe af materialer.

Selvom LiTi ₂ O ₄ i bulkform er blevet undersøgt i årtier, lidt er kendt om dens overflader, på grund af vanskeligheden ved at fremstille passende LiTi ₂ O ₄ overflader til yderligere analyse.

Nu, ved at bruge en kombination af eksperimentelle og teoretiske metoder, et team af forskere, herunder Taro Hitosugi fra Tokyo Tech og Advanced Institute for Materials Research ved Tohoku University, har opnået visuelt bevis på superledningsevne på ultratynd LiTi ₂ O ₄ film, markerer en milepæl inden for overfladevidenskab.

Udgivet i Naturkommunikation , undersøgelsen begyndte med påvisningen af ​​et uventet energi "gab, " som antyder eksistensen af ​​superledning ved overfladen. Desuden, deres undersøgelser afslørede, at overfladesuperledningsevnen er i forskellige tilstande end bulkinteriøret. Forskerne brugte to eksperimentelle metoder til at visualisere dette fund:pulseret laseraflejring (PLD), en teknik, der har muliggjort produktion af højkvalitets LiTi ₂ O ₄ film under vakuumbetingelser; og lavtemperatur scanning tunneling mikroskopi/spektroskopi (STM/STS), til præcis billeddannelse af overfladerne.

"At afbilde atomerne for første gang var overraskende, da det normalt er meget svært at observere spineloxid-atomerne, " siger Hitosugi. "Vi ville så vide det nøjagtige atomarrangement på overfladen, og for at gøre det, vi sammenlignede teori og eksperiment."

Så, at dykke dybere ned i, hvordan atomerne er arrangeret, holdet lavede teoretiske beregninger, der fik dem til at overveje fire typer overfladeskåret fra bulk LiTi ₂ O ₄ . Ved at sammenligne disse fire typer, forskerne fandt en - kaldet den TiLi2-terminerede overflade - der matchede deres eksperimentelle observationer.

Hitosugi forklarer, at "at kende det nøjagtige arrangement af atomer er det vigtigste, ", da denne viden vil hjælpe med at fremme forståelsen af ​​superledning ved dens tyndeste grænse, todimensionel superledning ved overfladen.

Ud over de superledende egenskaber, at kende atomarrangementerne kunne føre til afsløring af mekanismerne bag lithium-ion batteridrift. Forståelsen af ​​elektrodeoverflader er et væsentligt skridt for at designe næste generation af lithium-ion-batterier med højere kapacitet, forbedret livscyklus og hurtig opladning, fordi lithium-ioner migrerer hen over elektrodeoverfladerne.

Da undersøgelsen giver nye retninger for grænsefladeforskning, Hitosugi planlægger at samarbejde med Tokyo Tech-kolleger, der nu arbejder på solid-state elektrolytter, specifikt for at forbedre forståelsen af ​​elektrode-elektrolyt-grænsefladen (EEI), et af de hotteste emner inden for batteriforskning.

"Mange mennesker er interesserede i solid-state batterier - fremtiden for lithium-ion batterier, " siger han. "Nu hvor vi kender overfladens atomarrangement af dette materiale, vi kan begynde at simulere driften af ​​solid-state lithium-batterier."