Den trefaldiga symmetri som anges här avslöjar spinellkristallstrukturen. Kredit:Taro Hitosugi , Naturkommunikation
Forskare vid Tokyo Institute of Technology, Tohoku University och University of Tokyo har tillämpat avancerade skanningsmetoder för att visualisera den tidigare outforskade ytan av en supraledare:litiumtitanat (LiTi) 2 O 4 ).
LiTi 2 O 4 är det enda kända exemplet på en så kallad spineloxidsupraledare. Dess sällsynthet gör LiTi 2 O 4 av enormt intresse för dem som studerar ursprunget till supraledning, eftersom den har den högsta supraledande övergångstemperaturen (upp till 13. 7 K) inom denna grupp av material.
Även om LiTi 2 O 4 i bulkform har studerats i decennier, lite är känt om dess ytor, på grund av svårigheten att bereda lämplig LiTi 2 O 4 ytor för vidare analys.
Nu, använda en kombination av experimentella och teoretiska metoder, ett team av forskare inklusive Taro Hitosugi från Tokyo Tech och Advanced Institute for Materials Research vid Tohoku University, har erhållit visuella bevis på supraledning på ultratunn LiTi 2 O 4 filmer, markerar en milstolpe inom ytvetenskap.
Publicerad i Naturkommunikation , studien började med upptäckten av ett oväntat energigap, " antyder att det finns supraledning vid ytan. Dessutom, deras undersökningar avslöjade att ytans supraledningsförmåga är i olika tillstånd än i bulkinteriören. Forskarna använde två experimentella metoder för att visualisera detta fynd:pulsad laserdeposition (PLD), en teknik som har möjliggjort produktion av högkvalitativ LiTi 2 O 4 filmer under vakuumförhållanden; och lågtemperatur scanning tunnelmikroskopi/spektroskopi (STM/STS), för exakt avbildning av ytorna.
"Att avbilda atomerna för första gången var överraskande, eftersom det vanligtvis är mycket svårt att observera spineloxidatomerna, " säger Hitosugi. "Vi ville då veta det exakta atomarrangemanget på ytan, och för att göra det, vi jämförde teori och experiment."
Så, att fördjupa djupare i hur atomerna är ordnade, teamet gjorde teoretiska beräkningar som fick dem att överväga fyra typer av ytsnitt från bulk LiTi 2 O 4 . Genom att jämföra dessa fyra typer, forskarna hittade en - kallad den TiLi2-terminerade ytan - som matchade deras experimentella observationer.
Forskarna jämförde fyra möjliga typer av ytskärningar från bulk LiTi2O4 härledda från teoretiska beräkningar. Upphovsman:Taro Hitosugi, Naturkommunikation
Hitosugi förklarar att "att veta det exakta arrangemanget av atomer är det viktigaste, "eftersom denna kunskap hjälper till att öka förståelsen för supraledning vid dess tunnaste gräns, tvådimensionell supraledning vid ytan.
Förutom de supraledande egenskaperna, Att känna till atomarrangemangen kan leda till att man avslöjar mekanismerna bakom litiumjonbatterier. Förståelsen för elektrodytor är ett viktigt steg för att designa nästa generations litiumjonbatterier med högre kapacitet, förbättrade livscykler och snabbladdningsmöjligheter, eftersom litiumjoner migrerar över elektrodytorna.
Eftersom studien ger nya riktningar för gränssnittsforskning, Hitosugi planerar att samarbeta med Tokyo Tech-kollegor som nu arbetar med fasta elektrolyter, specifikt för att förbättra förståelsen av elektrod-elektrolytgränssnittet (EEI), ett av de hetaste ämnena inom batteriforskning.
"Många människor är intresserade av solid-state-batterier - framtiden för litiumjonbatterier, " säger han. "Nu när vi känner till ytatomarrangemanget för detta material, vi kan börja simulera driften av solid-state litiumbatterier. "
