Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology, Tohoku University en de University of Tokyo hebben geavanceerde scanmethoden toegepast om het voorheen onontgonnen oppervlak van een supergeleider te visualiseren:lithiumtitanaat (LiTi ₂ O ₄ ).

LiTi ₂ O ₄ is het enige bekende voorbeeld van een zogenaamde spineloxide-supergeleider. Zijn zeldzaamheid maakt LiTi ₂ O ₄ van enorm belang voor degenen die de oorsprong van supergeleiding bestuderen, omdat het de hoogste supergeleidende overgangstemperatuur heeft (tot 13,7 K) binnen deze groep materialen.

Hoewel LiTi ₂ O ₄ in bulkvorm is al tientallen jaren bestudeerd, er is weinig bekend over de oppervlakken, vanwege de moeilijkheid om geschikte LiTi . te bereiden ₂ O ₄ oppervlakken voor verdere analyse.

Nutsvoorzieningen, met behulp van een combinatie van experimentele en theoretische methoden, een team van onderzoekers, waaronder Taro Hitosugi van Tokyo Tech en het Advanced Institute for Materials Research aan de Tohoku University, heeft visueel bewijs verkregen van supergeleiding op ultradun LiTi ₂ O ₄ films, markeert een mijlpaal in de oppervlaktewetenschap.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de studie begon met de detectie van een onverwachte energiekloof, " wat wijst op het bestaan ​​van supergeleiding aan de oppervlakte. hun onderzoek onthulde dat de supergeleiding van het oppervlak zich in een andere toestand bevindt dan die van het bulkinterieur. De onderzoekers gebruikten twee experimentele methoden om deze bevinding te visualiseren:pulsed laser deposition (PLD), een techniek die de productie van hoogwaardige LiTi . mogelijk heeft gemaakt ₂ O ₄ films onder vacuümomstandigheden; en lage-temperatuur scanning tunneling microscopie/spectroscopie (STM/STS), voor nauwkeurige beeldvorming van de oppervlakken.

"Het was verrassend om de atomen voor het eerst in beeld te brengen, omdat het meestal erg moeilijk is om de spineloxide-atomen waar te nemen, " zegt Hitosugi. "Toen wilden we de exacte atomaire rangschikking op het oppervlak weten, en om dat te doen, we vergeleken theorie en experiment."

Dus, om dieper in te gaan op hoe de atomen zijn gerangschikt, het team maakte theoretische berekeningen die ertoe leidden dat ze vier soorten oppervlaktesneden uit bulk LiTi . in overweging namen ₂ O ₄ . Door deze vier typen te vergelijken, de onderzoekers vonden er een - genaamd het TiLi2-getermineerde oppervlak - dat overeenkwam met hun experimentele waarnemingen.

Hitosugi legt uit dat "het kennen van de juiste rangschikking van atomen het belangrijkste is, " aangezien deze kennis zal helpen om het begrip van supergeleiding op zijn dunste limiet te vergroten, tweedimensionale supergeleiding aan het oppervlak.

Naast de supergeleidende eigenschappen, het kennen van de atomaire arrangementen zou kunnen leiden tot het onthullen van de mechanismen achter de werking van lithium-ionbatterijen. Het begrip van elektrode-oppervlakken is een essentiële stap voor het ontwerpen van lithium-ionbatterijen van de volgende generatie met een hogere capaciteit, verbeterde levenscycli en snelle oplaadmogelijkheden, omdat lithiumionen over de elektrode-oppervlakken migreren.

Aangezien de studie nieuwe richtingen biedt voor interface-onderzoek, Hitosugi is van plan om samen te werken met Tokyo Tech-collega's die nu werken aan vastestofelektrolyten, specifiek om het begrip van de elektrode-elektrolyt-interface (EEI) te verbeteren, een van de populairste onderwerpen in batterijonderzoek.

"Veel mensen zijn geïnteresseerd in solid-state batterijen - de toekomst van lithium-ionbatterijen, "zegt hij. "Nu we de atomaire rangschikking van dit materiaal aan het oppervlak kennen, we kunnen beginnen met het simuleren van de werking van lithiumbatterijen in vaste toestand."