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：
21H04617
负责人：
長田実
金额：
$ 27.46万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04617/
关键词：
酸化物原子膜ナノシート誘電体蓄電デバイス

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、層状酸化物の単層剥離により得られる酸化物原子膜「ナノシート」に注目し、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った。本年度は、独自に開発した高誘電性ナノシートをモデルケースに、従来の材料では実現できない誘電・蓄電機能を持つ材料・デバイスの開発と、それを推進するために必要な基礎研究を進めた。新規材料の設計のため、巨大誘電特性（>500）、サイズ効果フリー機能など特異的誘電特性を有するペロブスカイトナノシートをモデルケースに、0.5~3 nmの臨界薄膜で実現する特異物性の機構解明を進めた。この目的のために、ペロブスカイト1格子単位(~ 0.4 nm)で厚みを精密に制御したナノシート（KNbO3, LaNb2O7, Ca2Nam-3NbmO3m+1およびその同型置換体）を合成した。走査型プローブ顕微鏡を利用した特性評価の結果、ナノシートでは、従来材料 (BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3) で臨界膜厚とされる~1.5 nm（3格子）以下でも高誘電率、強誘電特性が維持されることを確認した。現在、放射光X線構造解析、高分解能TEM、第一原理計算による分極構造、電子状態の詳細な検討を進めており、ナノシートにおける高誘電率の起源、特性制御機能の解明とともに、単原子膜レベルでの電子状態、配位構造と誘電特性相関の理解につなげる。さらに、以上の知見をベースに、蓄電デバイス応用に好適な高誘電率と高耐電圧を併せ持つ新規材料の開発を行った。Ca2Nam-3MmO3m+1（M= Nb, Ta）に対して、第一原理計算に基づく材料設計により元素置換やバンド構造制御を行い、分極構造の最適化による誘電率の向上や耐電圧特性、耐熱性の制御を目指した研究を進めた。

在这项研究中，作为开发下一代储能器件的新尝试，我们重点研究剥离单层层状氧化物而获得的氧化物原子薄膜“纳米片”，并开发基于纳米片的创新介电材料和器件。。今年，我们以自主开发的高介电纳米片为典范，开发了具有传统材料无法实现的介电和蓄电功能的材料和器件，并开展了促进这一发展所需的基础研究。为了设计新材料，我们以钙钛矿纳米片作为模型案例，阐明其独特的介电性能，如巨介电性能（>500）和无尺寸效应功能，以阐明实现独特物理性能的机制0.5 至 3 nm 的临界薄膜。为此，我们合成了具有精确控制的一个钙钛矿晶格单元厚度（~ 0.4 nm）的纳米片（KNbO3、LaNb2O7、Ca2Nam-3NbmO3m+1 及其同构替代品）。使用扫描探针显微镜进行性能评估的结果表明，即使在传统材料（BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3）的临界膜厚度~1.5 nm（3晶格）以下，纳米片也表现出高介电常数和铁电性能。已确认特性得到保持。我们目前正在利用同步加速器X射线结构分析、高分辨率TEM和第一性原理计算对偏振结构和电子态进行详细研究，这将有助于理解电子态、配位结构和电子态之间的关系。高水平的介电性能。此外，基于上述知识，我们开发了一种兼具高介电常数和高耐压的新材料，使其适合电力存储设备应用。对于Ca2Nam-3MmO3m+1（M=Nb、Ta），我们通过基于第一性原理计算的材料设计进行元素替换和能带结构控制，通过优化He进行的极化结构来改善介电常数、耐压特性和耐热性。旨在控制性行为的研究。