次世代電池および電子デバイス向けの材料の最も有望なクラスの 1 つは、有機混合イオン電子伝導体 (略して OMIEC) です。これらの柔らかくフレキシブルなポリマー半導体は、有望な電気化学的品質を備えていますが、その分子微細構造や電子が半導体中をどのように移動するかについてはほとんど知られていません。OMIEC を市場に出すには、この重要な知識ギャップに対処する必要があります。

その空白を埋めるために、スタンフォード大学の材料科学者たちは最近、特別な電子を採用しました。顕微鏡技術この研究は、生体分子などの、いわゆる「ビーム感受性」の柔らかい材料を使って、OMIEC の構造内部の仕組みと、OMIEC がそのような好ましい電気化学的特性を享受できる理由をより明確に把握するために使用されます。

車のバッテリーの中の水のように、液体電解質OMIECポリマーの層の間に注入されています。の電解質イオンが正極と負極の間を移動して電流を生成する媒体です。

「OMIEC ポリマーを液体電解質に浸すと、アコーディオンのように膨らみますが、電子機能は維持されます。ポリマー材料の長い分子鎖は伸びて緩やかに曲がり、連続した経路を作り出すことができることがわかりました。この材料は電解質によって 300% 膨張します」と工学部のホン・セ教授とヴィヴィアン・W・M・リム教授であり、紙日記に出てくるのは自然素材。

「この研究は、これらの材料の微細構造の視覚化における概念的な画期的な進歩を表しています。以前は理論化することしかできませんでしたが、今ではOMIECを非常にうまく機能させるために何が起こっているのかを知ることができます」と、サレオの研究室の博士研究員であり、最初の研究者であるヤエル・ツァルファティ氏は述べた。電子顕微鏡観察のほとんどを行った論文の著者。「材料が構造レベルでどのように機能するかを学ぶことは、より優れた材料を設計するための鍵となります。」

とらえどころのないプロセス

Salleo と Tsarfati はこの研究に 3 年間取り組んできました。彼らは、極低温電子顕微鏡 (Cryo 4D-STEM) を使用して、電荷を保持している水性電解質に浸した OMIEC ポリマーを画像化した最初の研究者です。このタイプの顕微鏡は、光ではなく強力な電子ビームを使用して画像を作成するため、電子による材料への損傷を防ぐためにサンプルを非常に低温にする必要があります。

浸漬と帯電という二重のストレスにより、ポリマー構造は複雑だが重要な変化を引き起こす、とサレオ氏は言う。これらの応力にもかかわらずポリマーの性能がどのように維持されるかを視覚化することは、コミュニティの興味をそそる謎です。しかし、従来の電子顕微鏡でこれらのポリマーを画像化することは困難でした。

OMIEC が固体半導体であれば、研究者はすぐに次のことに目を向けるでしょう。電子顕微鏡結晶構造を研究するためです。しかし、OMIEC は非常に柔らかいため、観察中に内部構造を照射するために使用される強力な電子ビームがダメージを与えます。

この新しい顕微鏡技術を使用することで、サレオ氏とツァルファティ氏は、柔らかく展性のあるポリマーが膨張する際に構造の完全性をどのように維持するかを観察できるようになりました。研究チームは現在、OMIECの軟液晶ポリマー構造が伸びたり曲がったりして、折り畳まれたポリマーリボンの間に形成される電解質の泡の周囲に連続的な電子経路を形成すると考えている。

ソフトタッチ

Cryo 4D-STEM は本質的に、研究中に材料を凍結します。水が氷になるように、電解質は固体になりません。代わりに、異なるガラス化状態になり、Salleo とチームが動作中の微細構造を観察できるようになります。

「ポリマーは曲げたり伸ばしたりできる一種のゲルを形成します」とサレオ氏は説明する。「それは大幅に膨張し、場合によっては300%にも達し、ほとんどの材料の電子特性を完全に破壊してしまいます。しかし、OMIECでは電子特性はまだ保持されています。」

ツァルファティ氏は、一度腫れると、ポリマー鎖充電中や放電中であっても、構造変化は最小限に抑えられます。これにより、材料自体への負担を最小限に抑えながら、より効率的なイオン交換が可能になり、電子的な観点から OMIEC が魅力的になります。

「このポリマーは、私たちが研究した他の材料と比較して、物理的変化やイオン挿入に対して優れた回復力を示します。これは将来のエレクトロニクスにとって望ましい特性です」とツァルファティ氏は付け加え、チームの研究の新たな方向性を指摘した。