Целенаправленные Ион луч изготовление Nanobatteries ЛИПОН основе твердотельных литий ионный на месте тестирования

Общая цель этого эксперимента состоит в том, чтобы использовать систему ионных пучков с двойным фокусом пучка для подготовки электрохимически активных, полностью твердотельных, тонкопленочных нанобатарей для электрохимических циклов in situ. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области твердотельной электрохимии, раскрывая природу подземных границ раздела твердого и твердого тела, включая их термодинамическую и электрохимическую стабильность во время циклирования. Основное преимущество этого метода in situ заключается в том, что нанобатарея никогда не подвергается воздействию внешних факторов, что позволяет беспрепятственно наблюдать за динамическими процессами, ограничивающими работу твердотельной батареи.

Подготовка группой Тараскон первого сечения тонкопленочной батареи вдохновила нас на создание электрохимически активной нанобатареи, которая позволяет определять характеристики in situ. Начните с подготовки образца для эксперимента. Это пример тонкопленочной батареи, используемой для протокола.

Активные слои батареи находятся в области диаметра два миллиметра на глиноземистой подложке. Подробная информация о его структуре представлена на этой схеме. Подложка – оксид алюминия.

Над ним находится платиновый катодный токосъемник, за которым следует катод из литий-кобальт-оксида. Далее идет оксинитрид лития и фосфора, электролит, аморфный силиконовый анод и токосъемщик с медным анодом. Для эксперимента требуется двойной сканирующий электронный микроскоп и прибор для сфокусированного ионного пучка.

Он должен быть оснащен микроманипулятором. Еще одним необходимым инструментом является слаботочный потенциостат. Подключите катодный провод потенциостата к столику через экранированный электрический проход.

Внутри соедините ввод со сценой с помощью экранированного провода с открытым наконечником. Используйте потенциостат в режиме постоянного тока для проведения испытания на низкий уровень шума проходного циркулятора. При просмотре данных текущее разрешение должно быть меньше пикоампа, как в этом примере.

Теперь подключите анодный провод потенциостата к кабелю заземления микроманипулятора. Вот электрические соединения на этом этапе протокола. Обратите внимание, что образец еще не смонтирован.

Введите в камеру медную подъемную решетку ПЭМ. Сетка должна быть проводящей и иметь пальцы для крепления нанобатареи. При первой установке пальцы сетки должны быть параллельны электронному пучку.

В этой конфигурации угол между электронным и ионным пучком составляет 52 градуса. Наклейте двусторонний углеродный скотч на 25-миллиметровый огрызок сканирующей электронной микроскопии, а затем закрепите аккумулятор на ленте оксидом вниз. Наклейте токопроводящую ленту для электрического соединения токосъемника с заглушкой.

На этом этапе установите заглушку с батареей в двухлучевую установку. Вот заглушка и батарейка в камере, готовые к эксперименту. Чтобы продолжить, начните прокачивать систему вниз.

Когда все будет готово, включите электронный и ионный пучки. При нагруженном состоянии токосъемник батареи перпендикулярен направлению электронного пучка. Наклоните образец так, чтобы ионный луч был перпендикулярен токосъемнику батареи.

Установите напряжение ионного пучка и время пребывания ионного пучка в пикселях на время эксперимента. Начнем с текущего коллектора. Выберите область размером 20 микрометров на два микрометра.

Затем с помощью сфокусированного ионного пучка нанесите 1,5-2 микрометра металлоорганической платины. Затем поработайте с тонкопленочными батарейками, расположенными вокруг платинового отложения. Приготовьтесь к фрезерованию прямоугольник глубиной на один микрометр ниже активного слоя пленки.

Для фрезерования используйте вариант фрезерования сфокусированным ионным пучком ступенчатого сечения. Измельчите симметричную область на другой стороне платинового отложения, чтобы определить нанобатарею. Затем используйте процедуру очистки поперечного сечения в обеих областях, чтобы четко обнажить слоистую структуру.

Теперь наклоните батарею назад так, чтобы ее токосъемник был обращен к электронному лучу. Боковая часть нанобатареи теперь доступна для ионного пучка. Используйте прямоугольные поднутрения, созданные в параллельных J-образных срезах, чтобы изолировать большую часть нанобатареи.

Затем поверните батарею на 180 градусов, чтобы обнажить заднюю часть батареи. Повторите шаги фрезерования для поднутрений, чтобы изолировать дно и боковые стороны нанобатареи. Для следующих действий снова поверните образец на 180 градусов.

В этот момент установите набор микроманипуляторов в парковочное положение. Медленно переместите микроманипулятор к платине на нанобатарейке, и приведите ее в соприкосновение. Приготовьтесь к фиксации микроманипулятора в платиновой области аккумулятора.

Используйте ионный пучок, чтобы нанести платину, чтобы зафиксировать их. После того, как микроманипулятор прикреплен, работайте над извлечением нанобатареи из образца. Определите последнюю подключенную порцию нанобатареи для фрезерования.

Измельчите эту область, чтобы отделить ее от образца. Поднимите нанобатарею вертикально с помощью микроманипулятора. Переместите нанобатарею в медную выдвижную решетку.

Поместите нанобатарею в контакт с выдвижной решеткой и приготовьтесь установить ее там. С помощью ионного пучка нанесите два микрометра платины, чтобы зафиксировать ее на месте. Это другой взгляд на нанобатарею на выдвижной решетке.

Далее проведите работы по отсоединению микроманипулятора. Устройте фрезерование соединения между ним и нанобатареей. Измельчите соединение между микроманипулятором и нанобатареей.

Переместите микроманипулятор, чтобы оставить установленную нанобатарею прикрепленной к медной сетке. Для выполнения следующих шагов наклоните столик так, чтобы ионный пучок был параллелен поперечному сечению нанобатареи. Рядом с установленным краем нанобатареи используйте процедуру очистки на участке шириной пять микрометров.

Процедура очистки заключается в том, чтобы обнажить четкий вид электрохимически активных слоев. Далее подготовьтесь к созданию электрического контакта между катодным токосъемником и медной сеткой. С помощью сфокусированного ионного пучка нанесите платину толщиной 500 нанометров, чтобы соединить их.

На этих изображениях эффект этапа осаждения показан под другим углом. Вот нанобатарея до осаждения. Платина видна на этом снимке после отложения.

Приготовьтесь использовать ионный пучок для удаления сегмента анода шириной три микрометра, анодного токосъемника и электролита. При удалении сегмента эти элементы изолируются от медной сетки. Это альтернативный взгляд на нанобатарею после этого шага.

Изоляция анода и анодного токосъемника перед установлением электрического контакта является наиболее важным этапом, описанным в протоколе. Без соответствующего подключения и изоляции нанобатарея будет замыкаться и не будет циклироваться. Затем наклоните предметный столик, чтобы с помощью ионного луча аккуратно нанести прямоугольные сечения очистки на боковые стороны нанобатареи для удаления повторно осажденного материала.

После очистки отдельные слои отчетливо видны. Включите микроманипулятор и поместите его в контакт с платиной над коллектором анода. Нанесите на платину толщиной 0,2 нанометра с помощью ионного пучка для соединения микроманипулятора и токосъемника.

Теперь на пульте управления потенциостата задайте текущие параметры и запустите потенциостат в режиме гальваностатического цикла для выполнения цикла in situ. Эта кривая представляет собой профиль электрохимического заряда нанобатареи, изготовленной с помощью сфокусированного ионного луча с плотностью тока 50 микроампер на квадратный сантиметр, показывающей емкость 12,5 микроампер-часов на квадратный сантиметр. Другая кривая с более высокой плотностью тока 1,25 миллиампер на квадратный сантиметр дает мощность 105 микроампер-часов на квадратный сантиметр.

Обе кривые демонстрируют плато в 3,6 вольта. Вот профили зарядки и разрядки нанобатарей для плотности тока 60 микроампер на квадратный сантиметр. Емкость зарядки была ограничена 30 минутами.

Разрядная емкость была ограничена двумя вольтами. Это демонстрирует обратимость около 35% После освоения этой техники ее можно выполнить за три часа, если она выполнена правильно, хотя имейте в виду, что продолжительность езды на велосипеде может увеличиваться столько, сколько нужно. При попытке выполнить эту процедуру важно помнить о том, что следует избегать ненужной визуализации с помощью электронного или ионного луча, так как это может повредить устройство.

После демонстрации изготовления электрохимически активной нанобатареи аналогичные нанобатареи могут быть перенесены на циклический держатель in situ TEM для более полного анализа границ раздела во время цикла. После просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как извлечь поперечное сечение тонкопленочной батареи и как изготовить электрохимически активную нанобатарею в двухлучевом FIB.