Fokussierte Ion Beam Herstellung von LiPON-basierten Solid-State-Lithium-Ionen-Nanobatteries zu Testzwecken In Situ

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, ein dualstrahlfokussiertes Ionenstrahlsystem zu verwenden, um elektrochemisch aktive, festkörperige Dünnschicht-Nanobatterien für in situ elektrochemische Kreisläufe vorzubereiten. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Festkörperelektrochemie zu beantworten und die Natur der verborgenen Festkörper-Festkörper-Grenzflächen aufzudecken, einschließlich ihrer thermodynamischen und elektrochemischen Stabilität während des Zyklus. Der Hauptvorteil dieser In-situ-Technik besteht darin, dass die Nanobatterie niemals äußeren Einflüssen ausgesetzt ist, was einen ungehinderten Blick auf die dynamischen Prozesse ermöglicht, die den Betrieb von Festkörperbatterien einschränken.

Die Vorbereitung des ersten Querschnitts einer Dünnschichtbatterie durch die Tarascon-Gruppe inspirierte uns, noch weiter zu gehen und eine elektrochemisch aktive Nanobatterie herzustellen, die eine In-situ-Charakterisierung ermöglicht. Beginnen Sie mit der Vorbereitung einer Probe für das Experiment. Dies ist ein Beispiel für eine Dünnschichtbatterie, die für das Protokoll verwendet wird.

Die aktiven Schichten der Batterie befinden sich in einem Bereich von zwei Millimetern Durchmesser auf einem Aluminiumsubstrat. Details zum Aufbau finden Sie in diesem Schaltplan. Das Substrat ist Aluminiumoxid.

Darüber befindet sich ein Platinkathoden-Stromabnehmer, gefolgt von einer Lithium-Kobaltoxid-Kathode. Als nächstes gibt es einen Lithium-Phosphor-Oxynitrid-Elektrolyten, eine amorphe Silikonanode und einen Kupferanoden-Stromabnehmer. Das Experiment erfordert ein duales Rasterelektronenmikroskop und ein fokussiertes Ionenstrahlinstrument.

Es sollte mit einem Mikromanipulator ausgestattet sein. Ein weiteres benötigtes Instrument ist ein Niederstrompotentiostat. Verbinden Sie die Kathodenleitung des Potentiostaten über eine geschirmte elektrische Durchführung mit dem Tisch.

Intern verbinden Sie die Durchführung mit einem abgeschirmten Draht mit freiliegender Spitze mit dem Tisch. Verwenden Sie den Potentiostaten im Konstantstrombetrieb, um einen Schwachstromrauschtest des Durchführungskreises durchzuführen. Bei der Überprüfung der Daten sollte die aktuelle Auflösung kleiner als ein Picoamp sein, wie in diesem Beispiel.

Verbinden Sie nun die Anodenleitung des Potentiostaten mit dem Massekabel des Mikromanipulators. Hier sind die elektrischen Verbindungen an dieser Stelle des Protokolls. Beachten Sie, dass das Muster noch nicht gemountet ist.

Führen Sie ein TEM-Aushebegitter aus Kupfer in die Kammer ein. Das Gitter sollte leitfähig sein und Finger haben, auf denen die Nanobatterie montiert werden kann. Bei der ersten Montage sollten die Finger des Gitters parallel zum Elektronenstrahl sein.

In diesem Aufbau gibt es einen 52-Grad-Winkel zwischen dem Elektronen- und dem Ionenstrahl. Kleben Sie doppelseitiges Kohleband auf einen 25-Millimeter-Rasterelektronenmikroskopie-Stummel und montieren Sie dann die Batterie mit der Aluminiumseite nach unten auf das Klebeband. Bringen Sie leitfähiges Klebeband an, um den Stromabnehmer elektrisch mit dem Stichel zu verbinden.

Montieren Sie an dieser Stelle den Stummel mit der Batterie in das Dual-Beam-Setup. Hier sind der Stummel und die Batterie in der Kammer, bereit für das Experiment. Um fortzufahren, beginnen Sie, das System nach unten zu pumpen.

Wenn Sie fertig sind, schalten Sie die Elektronen- und Ionenstrahlen ein. Im geladenen Zustand befindet sich der Stromabnehmer der Batterie senkrecht zur Elektronenstrahlrichtung. Kippen Sie die Probe so, dass der Ionenstrahl senkrecht zum Stromabnehmer der Batterie steht.

Stellen Sie die Ionenstrahlspannung und die Verweilzeit der Ionenstrahlpixel für die Dauer des Experiments ein. Beginnen Sie mit dem Stromabnehmer. Wählen Sie einen Bereich von 20 Mikrometer x zwei Mikrometern aus.

Anschließend scheiden Sie mit dem fokussierten Ionenstrahl 1,5 bis zwei Mikrometer metallorganisches Platin ab. Arbeiten Sie als Nächstes mit dem Dünnschicht-Batteriestapel um die Platinablagerung. Bereiten Sie das Fräsen eines Rechtecks mit einer Tiefe von einem Mikrometer unter der aktiven Folienschicht vor.

Verwenden Sie zum Fräsen eine Option zum Fräsen mit Stufenmuster und Querschnitt fokussierter Ionenstrahl. Fräsen Sie einen symmetrischen Bereich auf der anderen Seite der Platinablagerung, um die Nanobatterie zu definieren. Anschließend wird in beiden Bereichen ein Querschnittsreinigungsverfahren durchgeführt, um die Schichtstruktur deutlich freizulegen.

Kippen Sie nun die Batterie nach hinten, so dass ihr Stromabnehmer dem Elektronenstrahl zugewandt ist. Die Seite der Nanobatterie ist nun für den Ionenstrahl zugänglich. Verwenden Sie rechteckige Hinterschnitte, die in parallelen J-Schnitten erstellt werden, um den größten Teil der Nanobatterie zu isolieren.

Drehen Sie dann den Akku um 180 Grad, um die Rückseite des Akkus freizulegen. Wiederholen Sie die Frässchritte für die Hinterschneidungen, um den Boden und die Seiten der Nanobatterie zu isolieren. Für die nächsten Schritte drehen Sie die Probe erneut um 180 Grad.

Setzen Sie zu diesem Zeitpunkt das Mikromanipulator-Set in der Parkposition ein. Bewegen Sie den Mikromanipulator langsam zum Platin auf der Nanobatterie und bringen Sie es in Kontakt. Bereiten Sie die Befestigung des Mikromanipulators im Platinbereich der Batterie vor.

Benutze den Ionenstrahl, um Platin abzuscheiden, um die beiden zu fixieren. Sobald der Mikromanipulator angebracht ist, entfernen Sie die Nanobatterie aus der Probe. Identifizieren Sie den letzten angeschlossenen Teil der Nanobatterie für das Fräsen.

Fräsen Sie diesen Bereich mit Ionen, um ihn von der Probe zu trennen. Heben Sie die Nanobatterie mit dem Mikromanipulator vertikal an. Bewegen Sie die Nanobatterie auf das Kupfer-Lift-Out-Gitter.

Bringen Sie die Nanobatterie in Kontakt mit dem Lift-Out-Gitter und bereiten Sie die Montage dort vor. Verwenden Sie den Ionenstrahl, um zwei Mikrometer Platin abzuscheiden, um es an Ort und Stelle zu fixieren. Dies ist eine andere Sicht auf die Nanobatterie auf dem Lift-out-Gitter.

Arbeiten Sie als Nächstes daran, den Mikromanipulator zu lösen. Richten Sie die Verbindung zwischen ihr und der Nanobatterie so ein, dass sie gefräst wird. Ionenfräsen Sie die Verbindung zwischen dem Mikromanipulator und der Nanobatterie weg.

Bewegen Sie den Mikromanipulator, um eine montierte Nanobatterie am Kupfergitter befestigt zu lassen. Für die nächsten Schritte neigen Sie den Tisch so, dass der Ionenstrahl parallel zum Querschnitt der Nanobatterie verläuft. Führen Sie in der Nähe der montierten Kante der Nanobatterie ein Reinigungsverfahren über einen fünf Mikrometer breiten Abschnitt durch.

Das Reinigungsverfahren besteht darin, einen freien Blick auf die elektrochemisch aktiven Schichten freizulegen. Bereiten Sie als Nächstes den elektrischen Kontakt zwischen dem Kathodenstromabnehmer und dem Kupfergitter vor. Mit einem fokussierten Ionenstrahl scheiden Sie 500 Nanometer dickes Platin ab, um die beiden zu verbinden.

Diese Bilder zeigen die Wirkung des Abscheidungsschritts aus einem anderen Blickwinkel. Hier ist die Nanobatterie vor der Abscheidung. Das Platin ist auf diesem Bild nach der Ablagerung zu sehen.

Bereiten Sie sich darauf vor, den Ionenstrahl zu verwenden, um ein drei Mikrometer breites Segment der Anode, des Anodenstromabnehmers und des Elektrolyten zu entfernen. Durch das Entfernen des Segments werden diese Elemente vom Kupfergitter isoliert. Dies ist eine alternative Ansicht der Nanobatterie nach diesem Schritt.

Das Isolieren der Anode und des Anodenstromabnehmers vor dem elektrischen Kontakt ist der wichtigste Schritt, der im Protokoll beschrieben wird. Ohne geeignete Verbindung und Isolierung wird die Nanobatterie kurzgeschlossen und zyklisch. Neigen Sie anschließend den Tisch, um mit dem Ionenstrahl vorsichtig rechteckige Reinigungsquerschnitte an den Seiten der Nanobatterie aufzubringen und so wieder abgelagertes Material zu entfernen.

Nach der Reinigung sind die einzelnen Schichten deutlich sichtbar. Schalten Sie den Mikromanipulator ein und bringen Sie ihn in Kontakt mit dem Platin über dem Anodenkollektor. Mit dem Ionenstrahl wird 0,2 Nanometer dickes Platin abgeschieden, um den Mikromanipulator und den Stromabnehmer zu verbinden.

Stellen Sie nun an den Potentiostatensteuerungen die aktuellen Parameter ein und lassen Sie den Potentiostaten im galvanostatischen Schaltmodus laufen, um eine In-situ-Schaltung durchzuführen. Diese Kurve stellt das elektrochemische Ladeprofil einer fokussierten Ionenstrahl-gefertigten Nanobatterie mit einer Stromdichte von 50 Mikroampere pro Quadratzentimeter dar, was eine Kapazität von 12,5 Mikroamperestunden pro Quadratzentimeter zeigt. Eine andere Kurve mit einer höheren Stromdichte von 1,25 Milliampere pro Quadratzentimeter ergibt eine Kapazität von 105 Mikroamperestunden pro Quadratzentimeter.

Beide Kurven weisen ein 3,6-Volt-Plateau auf. Hier sind die Lade- und Entladeprofile der Nanobatterien für eine Stromdichte von 60 Mikroampere pro Quadratzentimeter. Die Ladekapazität war auf 30 Minuten begrenzt.

Das Entladevermögen war auf zwei Volt begrenzt. Dies zeigt eine Reversibilität von etwa 35 %Einmal gemeistert, kann diese Technik in drei Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird, aber denken Sie daran, dass die Länge des Radfahrens so lange wie gewünscht verlängert werden kann. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, daran zu denken, unnötige Bildgebung mit dem E-Strahl oder dem Ionenstrahl zu vermeiden, da dies das Gerät beschädigen kann.

Nachdem die Herstellung einer elektrochemisch aktiven Nanobatterie demonstriert wurde, können ähnliche Nanobatterien auf einen in situ TEM-Cycling-Halter übertragen werden, um eine umfassendere Analyse der Grenzflächen während des Zyklus zu ermöglichen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man einen Querschnitt einer Dünnschichtbatterie extrahiert und wie man eine elektrochemisch aktive Nanobatterie innerhalb eines Doppelstrahl-FIB herstellt.