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，我们将开发基于氧化物原子薄膜“纳米片”的创新介电材料和器件，作为开发下一代电力存储器件的新尝试。今年，我们进行了与原子膜材料开发、集成和器件相关的多方面研究。在材料方面，通过基于高介电钙钛矿纳米片（Ca2Nam-3NbmO3m+1；m = 3~6）（εr = 210~470）和Ti的第一性原理计算进行材料设计，实现了性能控制，我们成功地为Bi取代物质开发一种高介电常数（>1000）的新材料，超过了最初的目标值。这使得使用既具有高介电常数（>800）又具有高耐压（>4MV/cm）的适用于电力存储器件的新材料成为可能，为更高能量存储器件铺平了道路。此外，为了将纳米片技术应用于典型介电材料并开发电极纳米片，我们尝试使用自下而上的合成技术将非层状材料转化为纳米片。结果，观察到了原研究计划中未预见到的材料合成和功能开发的新进展，包括BaTiO3铁电原子薄膜、高绝缘非晶二氧化硅和铂纳米片的精密合成。另一方面，在器件方面，我们制作了Ca2Nam-3NbmO3m+1纳米片电容器并评估了蓄电器件的特性。结果，纳米片电容器同时实现了高介电常数和高耐压，并实现了传统高介电和铁电薄膜难以实现的高能量密度（150至270J/cm3）。通过上述研究，我们证实了纳米片技术在开发储能电容器方面的有效性。此外，推进蓄电器件生产一体化加工及器件技术开发，强化高速自动成膜、无损伤光刻等周边技术，为二维材料领域发展做出贡献。