Creation of Innovative Energy Storage Devices Using Atomic Layer Technology

使用原子层技术创建创新的能量存储设备

基本信息

批准号：
21H05015
负责人：
長田実
金额：
$ 122.72万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-05 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、次世代蓄電デバイスの開発を目指した新たな試みとして、酸化物原子膜「ナノシート」をベースとする革新的誘電材料・デバイスの開発を行う。本年度は、原子膜の材料開発、集積・デバイスにかかわる多角的な検討を行った。材料面では、高誘電性ペロブスカイトナノシート（Ca2Nam-3NbmO3m+1; m = 3~6）（εr = 210~470）をベースに、第一原理計算を援用した材料設計により特性制御を実現し、Ti, Bi置換体において、当初目標値を上回る高誘電率（> 1000）を有する新規材料の開発に成功した。これにより、蓄電デバイスに好適な高誘電率（> 800）と高耐電圧（> 4 MV/cm）を併せ持つ新規材料の利用が可能となり、蓄電デバイスの高エネルギー化に向けた道筋が拓けた。さらに、典型誘電体におけるナノシート技術の適用や電極ナノシートの開発を目指し、ボトムアップ合成技術による非層状材料のナノシート化に挑戦した。その結果、BaTiO3強誘電体原子膜、高絶縁性アモルファスシリカ、白金ナノシートの精密合成など、材料合成、機能開拓において当初の研究計画において予見していなかった新たな展開がみられた。他方、デバイス面では、Ca2Nam-3NbmO3m+1ナノシートのキャパシタを作製し、蓄電デバイスの特性評価を実施した。その結果、ナノシートキャパシタでは、高誘電率化と高耐電圧化が同時に実現し、従来の高誘電体、強誘電体薄膜で到達困難な高エネルギー密度（150~270 J/cm3）を実現した。以上の研究を通し、蓄電キャパシタの開発におけるナノシート技術の有効性を確認した。さらに、蓄電デバイス製造に向けた集積加工、デバイス技術の開発も進め、高速自動製膜、ダメージフリーリソグラフィーなどの周辺技術も充実させ、２次元材料分野の発展に貢献した。

在这项研究中，作为开发下一代电力存储设备的新尝试，我们将根据氧化物原子膜“纳米片”开发创新的介电材料和设备。今年，我们对原子膜的材料，整合和设备的开发进行了多种考虑。在材料方面，我们使用基于高度介电钙岩纳米片（Ca2nam-3NBMO3M+1; M = 3-6）（εr= 210-470）的第一原理计算实现了财产控制，并成功地开发了具有高电位常数的新材料（超过了（> 10000）的新材料，该材料超过了初始值和初始值。这允许使用具有高电介质常数（> 800）和高电压（> 4 mV/cm）的新材料，这些电压适用于电力存储设备，为增加电力存储设备的能量开辟了道路。此外，该公司旨在将纳米片技术应用于典型的介电和开发电极纳米片，并使用自下而上的合成技术挑战了非层状材料的纳米片的开发。结果，在原始研究计划中未预见新的发展，例如Batio3铁电原子膜的精确合成，高度绝缘的无定形二氧化硅和铂纳米片。另一方面，在设备侧，制造了CA2NAM-3NBMO3M+1纳米片的电容器，并评估了存储设备的特性。结果，纳米片电容器已经达到了高介电常数和高接合电压，达到了高能密度（150-270 J/cm3），而传统的高介电和铁电薄膜很难达到。通过上述研究，我们确认了纳米片技术在电力储能开发中的有效性。此外，该公司一直在开发用于制造电力存储设备的集成处理和设备技术，并扩大了其外围技术，例如高速自动膜形成和无损害的光刻，这有助于开发二维材料领域。