Focused Ion Beam fabbricazione di Nanobatteries basati su LiPON litio allo stato solido per test In Situ

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di utilizzare un sistema a fascio ionico focalizzato a doppio fascio per preparare nanobatterie elettrochimicamente attive, tutte allo stato solido, a film sottile per il ciclo elettrochimico in situ. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'elettrochimica allo stato solido, scoprendo la natura delle interfacce solido-solido sepolte, compresa la loro stabilità termodinamica ed elettrochimica durante il ciclo. Il vantaggio principale di questa tecnica in situ è che la nanobatteria non è mai esposta a fattori esterni, consentendo una visione senza ostacoli dei processi dinamici che limitano il funzionamento della batteria allo stato solido.

La preparazione del gruppo Tarascon della prima sezione d'urto della batteria a film sottile ci ha ispirato ad andare oltre e a fabbricare una nanobatteria elettrochimicamente attiva che consente la caratterizzazione in situ. Inizia preparando un campione per l'esperimento. Questo è un esempio di batteria a film sottile utilizzata per il protocollo.

Gli strati attivi della batteria si trovano in una regione di due millimetri di diametro su un substrato alluminoso. I dettagli della sua struttura sono forniti in questo schema. Il substrato è l'ossido di alluminio.

Al di sopra di questo, c'è un collettore di corrente catodico di platino, seguito da un catodo di ossido di cobalto di litio. Successivamente, c'è un elettrolita di ossinitruro di litio fosforo, un anodo di silicone amorfo e un collettore di corrente dell'anodo di rame. L'esperimento richiede un microscopio elettronico a doppia scansione e uno strumento a fascio ionico focalizzato.

Dovrebbe essere dotato di un micromanipolatore. Un altro strumento richiesto è un potenziostato a bassa corrente. Collegare il cavo catodico del potenziostato allo stadio attraverso un passante elettrico schermato.

Internamente, collegare il passante al tavolino con un filo schermato con punta esposta. Utilizzare il potenziostato in modalità corrente costante per eseguire un test di rumore a bassa corrente del circuito passante. Esaminando i dati, la risoluzione corrente dovrebbe essere inferiore a quella di un picoamp, come in questo esempio.

Collegare ora il cavo dell'anodo del potenziostato al cavo di terra del micromanipolatore. Di seguito sono riportati i collegamenti elettrici a questo punto del protocollo. Si noti che l'esempio non è ancora montato.

Introdurre una griglia di sollevamento TEM in rame nella camera. La griglia dovrebbe essere conduttiva e avere le dita su cui montare la nanobatteria. Quando viene montata per la prima volta, le dita della griglia devono essere parallele al fascio di elettroni.

In questa configurazione, c'è un angolo di 52 gradi tra il fascio di elettroni e ioni. Applicare del nastro biadesivo di carbonio su un tronchetto di microscopia elettronica a scansione da 25 millimetri, quindi montare la batteria sul nastro, con il lato alluminoso rivolto verso il basso. Applicare del nastro conduttivo per collegare elettricamente il collettore di corrente allo stub.

A questo punto, montare lo stub con la batteria nella configurazione a doppio raggio. Ecco il tronchetto e la batteria nella camera, pronti per l'esperimento. Per continuare, iniziare a pompare il sistema verso il basso.

Quando sei pronto, accendi i fasci di elettroni e ioni. Quando è caricata, la batteria è normale alla direzione del fascio di elettroni. Inclinare il campione in modo che il fascio di ioni sia normale al collettore di corrente della batteria.

Impostare la tensione del fascio ionico e il tempo di permanenza dei pixel del fascio ionico per la durata dell'esperimento. Iniziare con il collettore corrente. Selezionare una regione di 20 micrometri per due micrometri.

Quindi, utilizzare il fascio ionico focalizzato per depositare da 1,5 a due micrometri di platino organometallico. Quindi, lavora con la pila di batterie a film sottile attorno al deposito di platino. Prepararsi a fresare un rettangolo con una profondità di un micrometro sotto lo strato di pellicola attivo.

Per la fresatura, utilizzare un'opzione di fresatura a fascio ionico focalizzato con sezione trasversale a gradini. Fresare una regione simmetrica sull'altro lato del deposito di platino per definire la nanobatteria. Quindi, utilizzare una procedura di pulizia della sezione trasversale in entrambe le regioni per esporre chiaramente la struttura a strati.

Ora, inclina la batteria all'indietro in modo che il suo collettore di corrente sia rivolto verso il fascio di elettroni. Il lato della nanobatteria è ora accessibile al fascio ionico. Utilizzare sottosquadri rettangolari creati in tagli a J paralleli per isolare la maggior parte della nanobatteria.

Quindi, ruotare la batteria di 180 gradi per esporre il retro della batteria. Ripetere le fasi di fresatura per i sottosquadri per isolare il fondo e i lati della nanobatteria. Per i passaggi successivi, ruotare nuovamente il campione di 180 gradi.

A questo punto, inserire il micromanipolatore impostato in posizione di parcheggio. Spostare lentamente il micromanipolatore verso il platino della nanobatteria e portarlo a contatto. Preparati a fissare il micromanipolatore alla regione di platino della batteria.

Usa il fascio ionico per depositare il platino per fissare i due. Una volta collegato il micromanipolatore, lavorare per rimuovere la nanobatteria dal campione. Identificare l'ultima parte collegata della nanobatteria per la fresatura.

Macinare ionicamente questa regione per separarla dal campione. Sollevare la nanobatteria verticalmente con il micromanipolatore. Spostare la nanobatteria sulla griglia di sollevamento in rame.

Posizionare la nanobatteria a contatto con la griglia di sollevamento e prepararsi a montarla lì. Usa il fascio ionico per depositare due micrometri di platino per fissarlo in posizione. Questa è una visione diversa della nanobatteria sulla griglia di sollevamento.

Quindi, lavora per staccare il micromanipolatore. Organizzare la fresatura del collegamento tra esso e la nanobatteria. Macinare gli ioni via la connessione tra il micromanipolatore e la nanobatteria.

Spostare il micromanipolatore per lasciare una nanobatteria montata attaccata alla griglia di rame. Per i passaggi successivi, inclinare lo stadio in modo che il fascio ionico sia parallelo alla sezione trasversale della nanobatteria. Vicino al bordo montato della nanobatteria, utilizzare una procedura di pulizia su una sezione larga cinque micrometri.

La procedura di pulizia consiste nell'esporre una visione chiara degli strati elettrochimicamente attivi. Successivamente, prepararsi a creare un contatto elettrico tra il collettore di corrente del catodo e la griglia in rame. Con un fascio ionico focalizzato, depositare platino spesso 500 nanometri per collegare i due.

Queste immagini mostrano l'effetto della fase di deposizione da un'angolazione diversa. Ecco la nanobatteria prima della deposizione. Il platino è evidente in questa immagine dopo la deposizione.

Prepararsi a utilizzare il fascio ionico per rimuovere un segmento largo tre micrometri dell'anodo, del collettore di corrente anodico e dell'elettrolita. La rimozione del segmento isola questi elementi dalla griglia di rame. Questa è una vista alternativa della nanobatteria dopo questo passaggio.

L'isolamento dell'anodo e del collettore di corrente dell'anodo prima di stabilire il contatto elettrico è il passaggio più cruciale descritto nel protocollo. Senza un'adeguata connessione e isolamento, la nanobatteria andrà in cortocircuito e non si ripeterà. Quindi, inclinare il tavolino per utilizzare il fascio ionico per applicare con cura sezioni trasversali di pulizia rettangolari ai lati della nanobatteria per rimuovere il materiale ridepositato.

Dopo la pulizia, i singoli strati sono distintamente visibili. Attivare il micromanipolatore e metterlo a contatto con il platino sopra il collettore dell'anodo. Depositare platino di 0,2 nanometri di spessore con il fascio ionico per collegare il micromanipolatore e il collettore di corrente.

Ora, ai comandi del potenziostato, impostare i parametri correnti ed eseguire il potenziostato in modalità di ciclo galvanostatico per eseguire il ciclo in situ. Questa curva rappresenta il profilo di carica elettrochimica di una nanobatteria fabbricata con fascio ionico focalizzato con una densità di corrente di 50 microampere per centimetro quadrato, che mostra una capacità di 12,5 microampere per centimetro quadrato. Una curva diversa con una densità di corrente più elevata di 1,25 milliampere per centimetro quadrato si traduce in una capacità di 105 microampere ora per centimetro quadrato.

Entrambe le curve dimostrano un plateau di 3,6 volt. Ecco i profili di carica e scarica delle nanobatterie per una densità di corrente di 60 microampere per centimetro quadrato. La capacità di ricarica era limitata a 30 minuti.

La capacità di scarica era limitata a due volt. Ciò dimostra una reversibilità di circa il 35%Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in tre ore se eseguita correttamente, anche se tieni presente che la durata del ciclismo può estendersi quanto desiderato. Durante il tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare di evitare immagini non necessarie con il fascio E o con il fascio ionico, in quanto ciò può danneggiare il dispositivo.

Dopo aver dimostrato la fabbricazione di una nanobatteria elettrochimicamente attiva, nanobatterie simili possono essere trasferite a un supporto per cicli TEM in situ per un'analisi più completa delle interfacce durante il ciclo. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come estrarre una sezione trasversale di una batteria a film sottile e come fabbricare una nanobatteria elettrochimicamente attiva all'interno di un FIB a doppio raggio.