Summary
Se presenta un protocolo para la fabricación de nanobatteries electroquímicamente activo LiPON basado en estado sólido de iones de litio con una viga de ion enfocada.
Abstract
Estado sólidos electrólitos son un reemplazo prometedor para electrólitos líquidos orgánicos actuales, lo que permite mayores densidades de energía y mejora de la seguridad de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sin embargo, un número de reveses impiden su integración en dispositivos comerciales. El principal factor limitante es debido a los fenómenos de nanoescala que ocurren en los interfaces del electrodo/del electrólito, en última instancia conduce a la degradación del funcionamiento por batería. Estos problemas son muy difíciles de observar y caracterizar como estas baterías contienen múltiples interfaces enterradas. Una observación directa de fenómenos interfaciales en las baterías de película fina es a través de la fabricación de nanobatteries electroquímicamente activa por un haz de iones enfocado (FIB). Por lo tanto, una técnica confiable para la fabricación de nanobatteries fue desarrollada y demostrada en trabajos recientes. En este documento, se presenta un protocolo detallado con un proceso paso a paso para habilitar la reproducción de este proceso de fabricación de nanobattery. En particular, esta técnica se aplicó a una batería de película fina de LiCoO2/LiPON/a-Si y además se ha demostrado previamente en situ ciclismo dentro de un microscopio electrónico de transmisión.
Introduction
Centrado ion vigas (FIB) se han utilizado principalmente para preparación de muestras de microscopía electrónica (TEM) de transmisión y circuito edición1,2. Nanofabricación usando FIB ha progresado significativamente durante las últimas dos décadas con mucho foco en semiconductor materiales3. A pesar de su importancia a los avances científicos, siendo principales preocupaciones con las técnicas de la FIB, incluyendo daños en la superficie, la deposición y farfulla preferencial debido a la alta densidad de corriente de4,5. Ha habido varios artículos sobre materiales dañinos FIB durante la preparación de muestras TEM y varios métodos para reducir estos daños han propuesto6,7,8,9. Sin embargo, FIB fabricación de dispositivos activos que consisten en varias capas con diferente funcionalidad es todavía limitada.
Para dispositivos de estado sólidos, especialmente en el campo de almacenamiento de energía, interfaces desempeñan un papel crucial, y la interfaz sólido-sólido se ve más a menudo como fuente dominante de impedancia10. Estas interfaces son particularmente difíciles de caracterizar, debido a una combinación de su naturaleza enterrado y convolución de datos en presencia de varias interfaces en un solo dispositivo. La fabricación de nanobatteries totalmente estado sólido es fundamental para probar y entender la naturaleza dinámica de estas interfaces, que en definitiva impactan en los procesos electroquímicos en las baterías. Las baterías de película delgada basadas en litio oxinitruro de fósforo (LiPON) se demostraron hace más de dos décadas y son comercializados en la actualidad11. Aunque fabricación de FIB de nanobatteries electroquímicamente activo con una batería de película fina es fundamental para permitir la evaluación en situ de interfaces, la mayoría de los intentos para fabricar nanobatteries con falla FIB para retener actividad electroquímica debido a el cortocircuito12. Inicial de intentos en in situ bicicleta adelgaza sólo una pequeña porción de nanobattery, observar la distribución de litio por holografía de electrones13.
Trabajo más reciente ha demostrado la exitosa fabricación de FIB de nanobatteries electroquímicamente activo, lo que permitió tanto ex situ como en situ análisis de microscopía electrónica de transmisión (madre) y electrón energía pérdida () espectroscopia Caracterización de las anguilas) fenómeno interfacial14,15. Parámetros importantes de la fabricación de FIB que ayudan a conservar la actividad electroquímica se han indicado por Santhanagopalan et al. 14y un protocolo detallado se presenta en este manuscrito. Este procedimiento se basa en una batería modelo LiCoO2/LiPON/a-Si, pero en última instancia permitirá la exploración de más química de la batería de película fina.
Protocol
1. preparación de la muestra y sistema de
- Alcanzar una batería de película fina completa que consta de un sustrato de Al2O3 (500 μm de espesor), un colector corriente de cátodo de oro (100-150 nm de espesor, DC por pulverización), un cátodo de2 LiCoO (2 μm de espesor, RF por pulverización), un LiPON electrolito (1 μm de espesor, RF por pulverización), un ánodo de silicio amorfo (80 nm de espesor, con recubrimiento metálico en RF) y un colector corriente del ánodo de Cu (100 nm, DC por pulverización)16,17.
- Montar una batería completa de película delgada sobre un trozo de aluminio SEM 25 mm de diámetro y utilizar una cinta de cobre para conectar eléctricamente el colector actual de cátodo para el trozo de SEM para minimizar los efectos de carga.
- Antes de bombear hacia abajo de la cámara, confirme que existe una vía eléctrica de bajo nivel de ruido a la red de cobre, que el nanobattery montará en y servirá como la vía conductora al cátodo (figura 1).
- Conecte el cátodo a la etapa a través de un paso eléctrico blindado, como está presente en sistemas equipados para haz de electrones inducido por medidas de corriente (EBIC) con el tipo de conexión apropiado. Internamente, conectar el paso a la etapa con un cable blindado con un punta de vista; el método de asegurar la punta del cable expuesta dependerá del tipo de etapa de la muestra, y, aquí, es sostenido en lugar por un tornillo etapa.
- Alternativamente y dependiendo de la configuración del circuito de puesta a tierra de la etapa del instrumento, conecte el cátodo del potenciostato al suelo etapa usando un cable BNC como se muestra en la figura 1.
- Realizar la prueba de corriente de bajo ruido con el potenciostato en modo de corriente constante. Aplicar la corriente con que en situ ciclismo debe ser realizado y observar la precisión y exactitud de la corriente medida.
Nota: Utilizando la configuración descrita en 1.3.1, se logró una corriente medida de pA de 1 pA ± 0,1.
- Del mismo modo, crear una vía conductora de la punta de instrumental quirúrgico en el exterior de la sonda se conecta el ánodo de la potenciostato a las amalgamas dentales de tierra usando un cable BNC o una pinza como se muestra en la figura 1.
- Como en el paso 1.3.3, realizar la prueba de corriente de bajo ruido con el potenciostato en modo de corriente constante.
Nota: Usando las conexiones descritas en el paso 1.4, la corriente estable mínima alcanzada era 10 pA ± 1 pA, debido a motivos no blindados conectado a las amalgamas dentales.
- Como en el paso 1.3.3, realizar la prueba de corriente de bajo ruido con el potenciostato en modo de corriente constante.
2. extracción de la Nanobattery
- Cargar la muestra en la cámara de SEM/FIB y bomba a vacío especificado sistema (≤10-5 mbar) antes de encender el electrón viga y ion viga de la proyección de imagen.
- Enfocar el haz de electrones en la superficie de la batería de película fina y determinar la altura de eucentric con estándar SEM/FIB procedimientos1.
- Inclinar la muestra tal que el haz de iones es normal a la superficie de la batería (aquí muestra 52° de la inclinación) y depositar una capa gruesa de 1.5 a 2 μm de platino organometálicos FIB-depositado en el colector actual superior de la batería de película fina con una corriente de haz de iones de alrededor de 0.3 nA un d permanencia de 200 ns sobre un área de 25 x 2 μm (figura 2).
- Ajuste tensión de la viga de ion a 30 kV y ion tiempo de permanencia de la viga a 100 ns para el resto del protocolo experimental.
- Utilizar un FIB transversal-diseño fresado opción, contemplada en el software de la FIB, para exponer la pila de nanobattery alrededor del depósito de Pt, como en el TEM laminilla preparación1. Seleccione una molienda actual ≤2. 8 na. Entrada a una profundidad de molino que se extiende por lo menos 1 μm por debajo de la batería de película fina activa (Z = 5 μm en este caso), una anchura de corte transversal (X) de 25 μm y una altura seccional transversal (Y) de 1.5 x Z (aquí, Y = 7.5 μm). Luego, se expone la sección de batería, para verse en SEM (aquí, el haz de electrones es 52° en superficie normal) como en la figura 3.
Nota: La profundidad fresada real es dependiente de la batería de película fina. - Utilizar un procedimiento de limpieza de sección transversal, siempre que en el software de la FIB, donde el ion viga incrementalmente las tramas más cercanas a la superficie a limpiar, con un ion viga actual ≤0. 3 nA de limpiar volverán a depositar material y exponer claramente la estructura en capas ( Figura 3).
- Realizar una serie de cortes menores de rectángulo (también llamado cortes J o U-cortes) a una inclinación de fase de 0 ° y viga actual ≤2. 8 nA para aislar a la mayoría de los de nanobattery2. Realizar cortes menores de i) una menor μm rectángulo 0,5 x 25 bajo el colector actual de la UA sobre el sustrato de Al2O3 , ii) un rectángulo vertical 0.5 μm ancho (X) y a través de la totalidad del espesor de nanobattery (Y) y iii) un rectángulo vertical 0,5 μm de ancho (X) y con una altura menor que el espesor de nanobattery (Y - 2.5 μm) alrededor de la nanobattery Pt cubierto como en la figura 4un. Estos tres cortes menores deben realizarse en modo paralelo (al mismo tiempo molido), para evitar la deposición de material dentro de las regiones de corte bajo.
- Rotar la muestra 180° y realizar la misma horizontal socavado como en el paso 2.5. Esto aísla el fondo y los lados de nanobattery excepto la región restante conectada.
- Rotar la muestra 180°. Introducir el instrumental quirúrgico a la posición de estacionamiento especificada en el software de control, luego poco a poco ponerla en contacto con el nanobattery usando el movimiento x-y-z del software.
- Arreglar el instrumental quirúrgico a la región de Pt sobre la nanobattery viga de ion depositar 0,5 μm espesor Pt usando una viga de ion 30 keV con una corriente de 10 pA sobre una superficie de 2 x 1 μm.
- Molino de iones el restante había conectado parte de la nanobattery con una viga actual alrededor de 1 nA y levante la nanobattery verticalmente con el instrumental quirúrgico (figura 4b).
- Monte el nanobattery sobre una rejilla de extracción de Cu FIB con 2 μm grueso ion viga había depositado Pt usando una viga de ion 30 keV con una corriente de nA 0.28 sobre un área de 10 x 5 μm.
- Molino de iones a la conexión entre el instrumental quirúrgico y nanobattery usando una viga de ion 30 keV con una corriente de nA 0.28 sobre un área de 1 x 1 μm a una profundidad de 2 μm, dejando una sección independiente conectada a la red de Cu (figura 5)1.
Nota: La rejilla de extracción Cu proporciona una base plana para montaje el nanobattery así como servir como un camino conductor entre la etapa y el nanobattery.
3. limpieza y ciclismo la Nanobattery
- Inclinar la muestra tal que el haz de iones es normal a la superficie de la batería y utilice un procedimiento de limpieza transversal (véase el paso 2.4) para remover el material vuelva a depositar sobre una sección amplia de 5 μm de nanobattery cerca de la red de Cu, conduce a una visión clara de las capas individuales de el nanobattery (figura 6a).
Nota: Material nuevo depositado desde pasos anteriores de fresado debe extraerse el nanobattery montado en la red para exponer el núcleo activo electroquímicamente de la nanobattery y evitar cortocircuitos. - Depósito 500 nm espesor FIB-Pt con un 30 rayo de keV con una corriente de 0.1 nA sobre una superficie de 1 x 2 μm para crear un contacto eléctrico entre el colector corriente de cátodo y la rejilla metálica, que está conectada eléctricamente a la etapa (figura 6b).
- La muestra a 0° de inclinación y, usando un ion viga corriente de 1 nA, hacer una rectangular corte 3 μm ancho y bastante profundo (Z ~ 2 μm) para eliminar el colector actual del ánodo y electrolito, aislando el ánodo de la red de Cu (figura 6c).
- Utilice el procedimiento de limpieza de sección transversal (véase el paso 2.4) con una viga de ion actual alrededor de 0.1 nA para eliminar el material vuelva a depositado alrededor de los lados de la sección transversal de nanobattery hasta que todas las capas individuales son claramente visibles como se muestra en la figura 6 d.
- Introducir el instrumental quirúrgico a la posición de estacionamiento y, utilizando el software de control, llevar el instrumental quirúrgico en contacto con el Pt sobre el colector corriente del ánodo. Ion beam depósito 0.2 μm espesor Pt usando una viga de ion 30 keV con una corriente de 10 pA sobre una superficie de 2 x 1 μm para "soldar" Conecte el micromanipulador y corriente de colector ( figura 6d)1.
- Ejecutar el potenciostato en modo ciclo de caracterización. Parámetros actuales que se utilizan dependen del área transversal final de nanobattery fabricado y C-tasa deseada, pero serán del orden de unos na. Seleccionar la carga y descarga de corrientes tal que la densidad de corriente es del orden de decenas de μA/cm2. Para LiCoO2-película fina basada en baterías, el rango de tensión es de 2.0 y 4.2 V.
Representative Results
Un representante de estado sólido del Li-ion nanobattery proceso de fabricación se muestra paso a paso en el protocolo hace referencia a las figuras 1-7.
La figura 8 muestra en situ pruebas de los perfiles de carga electroquímicos de dos células que fueron fabricados. Ambos perfiles muestran claramente una meseta V 3.6 corresponde a la LiCoO2-Si célula completo química y oxidación de Co3 + → Co4 +. Celular-1 (figura 8a) fue probada en una densidad de corriente baja (50 μA/cm2) limitando la capacidad de carga de 12.5 µAh/cm2. Célula-2 (figura 8b) presenta un perfil de carga en una mayor densidad de corriente, 1.25 mA/cm2, que fue limitada por la tensión de corte superior de 4.2 V. La capacidad registrada fue de 105 µAh/cm2, cerca de la capacidad teórica de célula-2 (110-120 µAh/cm2). La primera capacidad de la descarga de la nanobatteries ha sido pobre, mientras que las capacidades del ciclo posterior (carga y descarga) fueron limitadas debido a la irreversibilidad de ciclo de primera. El proceso de descarga de nanobatteries aún no está optimizado, sin embargo, un perfil representativo de la carga y descarga en una densidad de corriente de 60 μA/cm2 se presenta en la figura 9. La capacidad de carga se limitó a 30 min y la descarga se limita a 2 V, y es evidente que la reversibilidad es alrededor del 35%. Aunque la reversibilidad es mucho mejor que lo que se divulga en la literatura14, más la optimización es necesaria.
Si el perfil de voltaje no es constante con la química de la batería de película fina, esto es probablemente debido a cualquier daño de rayo o cortocircuito de material depositado nuevamente. La figura 10 muestra un perfil de voltaje constante con cortocircuito donde el voltaje es constante y proporcional a la corriente aplicada. La imagen de la viga de ion confirma que no existe material depositado nuevamente en el borde. Deben quitarse las amalgamas dentales y se necesitan más pasos limpieza transversales para eliminar este material. Este procedimiento de limpieza disminuye la sección transversal de nanobattery, por lo que la densidad de corriente debe ser corregida en consecuencia.
Figura 1 : Esquema de conexión eléctrica. Un potenciostato está conectado a la FIB nanobattery vía conexiones externas: 1) el terminal negativo de la potenciostato a tierra desconectada de la aguja del instrumental quirúrgico; 2) el lado del cátodo en un paso vacío eléctricamente blindado o una conexión directa a la tierra de la etapa como un circuito de alarma toque (se muestra). Se hacen las conexiones internas entre la punta de las amalgamas dentales y el ánodo y entre el cátodo y el escenario a través de una rejilla de extracción de cobre TEM. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Deposición de Pt. Imagen de SEM de la tapa Pt depositada en la superficie de la batería de película fina para evitar el daño y hacer contacto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Sección de Nanobattery. Imágenes de SEM de la laminilla de nanobattery después del corte transversal (a) vista de la sección transversal de 52 ° y la vista superior (b) y 0 °. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : Nanobattery liftout. Imágenes de la viga de ion de (a) la laminilla con un corte bajo y (b) extracción de nanobattery aislado por el micromanipulador. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 : Nanobattery montaje. (a) viga de Ion) y (b) imagen de SEM de la soldadura la nanobattery levantada a la rejilla de cobre met. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6 : Limpieza de Nanobattery. Imágenes de la viga de ion de (a) una de las secciones de nanobattery, (b) conectar eléctricamente el colector actual rejilla y el cátodo por la deposición de Pt, (c) corte para aislar el ánodo de la rejilla de TEM y (d) limpieza de limpieza el sección transversal de la frente, parte posterior y los lados para quitar todo material depositado nuevamente. Se hace el contacto final hacia el ánodo con el micromanipulador para polarización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7 : Daño de Nanobattery. Imágenes de SEM de una muestra representativa de nanobattery con (a) buen estado capa LiPON y (b) la proyección de imagen en mayor magnificación inducida por daño en la capa de LiPON indicado por el círculo de. Moran alto haz de electrones de tiempo produce cambios visibles en el LiPON electrolito la proyección de imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8 : Nanobattery carga datos. FIB fabrica nanobattery carga electroquímica perfil en diferentes densidades de corriente ( a) la capacidad se limita a µAh 12.5cm2 y (b) la tensión se limita a un corte de V 4.2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9 : Perfil ciclismo Nanobattery. FIB fabrica nanobattery electroquímico carga y descarga de perfiles en una densidad de corriente de 60 μA/cm2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10 : Cortocircuito nanobattery. (a) Perfil de voltaje de un nanobattery que no había sido limpiados adecuadamente dando como resultado un cortocircuito de material depositado a y (b) la imagen de la viga de ion seccional cruzada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
Como lo demuestran nuestros resultados, la técnica descrita produce nanobatteries electroquímicamente activo levantadas de una batería más grande de la película delgada. Estas técnicas han permitido caracterización de vástago/anguilas tanto en situ como ex situ de las interfaces enterradas por galvanostatically la nanobattery de polarización. Esto permite la caracterización de alta resolución sin precedentes de fenómenos químicos cuantitativos relacionados con el estado electroquímico de la carga. Sin embargo, para lograr estos resultados, debe superar una serie de obstáculos específicos.
Antes de comenzar el proceso de la FIB, se realizará pruebas de corriente constante para asegurarse de que existe una vía eléctrica de bajo nivel de ruido para el cátodo y el ánodo de la nanobattery. Lado del cátodo la prueba puede realizarse con la cámara FIB con ventilación. Antes de bombear hacia abajo de la cámara para la fabricación de nanobattery, el terminal positivo se debe conectar como si realizar el experimento (ya sea a través de un terreno vacío de paso o etapa), y el polo negativo conectado directamente a la etapa. Tenga en cuenta que si utiliza la alarma de tacto como una conexión de la etapa, la capacidad de alarma toque del instrumento puede ser desactivada, y la conexión debe hacerse sólo cuando no hay más inclinación de la etapa es necesaria. Sin embargo, aquí la prueba requerirá el sistema de bajo vacío, y la corriente pasará a través de las amalgamas dentales y el circuito de la etapa. El instrumental quirúrgico puede respetarse eléctricamente con Pt la rejilla de cobre para las pruebas de ruido actual constante. Si persisten los problemas de resolución actual, póngase en contacto con su proveedor para obtener información sobre cómo separar la etapa de la tierra del sistema.
Para que esta técnica de trabajo, es fundamental utilizar las especificaciones de la viga de ion proporcionado para minimizar el daño a la LiPON electrolito sólido. LiPON es altamente sensible a la exposición prolongada a condiciones atmosféricas (i) húmedas, haz de electrones (ii) y vigas (iii) ion. Por lo tanto, el proceso de fabricación de nanobattery estado sólido requiere la minimización de la exposición a los tres de estas condiciones. Pre- y post-fabricación exposición a condiciones atmosféricas debe ser absolutamente minimizada. El en situ FIB ciclismo proceso descrito fue desarrollado como una solución para minimizar esta exposición. Durante y después de la fabricación, haz de electrones la proyección de imagen debe limitarse, que daña el electrolito sólido. Del mismo modo, la viga de ion la proyección de imagen también debe ser limitada para evitar la degradación de los electrolitos y otros componentes activos así. Los archivos de fresado específicos y tiempos están basados en los equipos indicados en la tabla de materiales y equipos de reactivos específicos, equipos y fabricantes; Esto puede variar entre instrumentos de la FIB, y modificaciones pueden ser necesarias utilizar otro instrumento.
De todos los parámetros en la fabricación de la FIB de una nanobattery, las consideraciones más importantes son el uso de viga baja de la corriente y tiempo de permanencia para minimizar daños14. Cuando sea necesario, la proyección de imagen se realiza con electrones en tiempos de permanencia bajo pixel y con las vigas de iones de baja corriente de rayo (en pA) y tiempo de permanencia bajo (100 ns). Mayoría de las veces, alto morar haz de electrones de tiempo produce cambios visibles en el LiPON electrolito la proyección de imagen. Figura 7 una muestra de un flamante LiPON y otras imágenes con un haz de electrones induce daño a la capa de LiPON como se muestra en la figura 7b. Este daño es irreversible resultando en un cambio de contraste y hará que el nanobattery electroquímicamente inactivo.
Además, ciclismo electroquímico, adecuada debe tener cuidado para hacer contacto eléctrico entre el colector corriente de cátodo y la rejilla correctamente (figura 6b). Es igualmente importante mantener el contacto instrumental quirúrgico al ánodo (figura 6); como se ve en la figura 8una, en alrededor de 150 s, un pico en los datos electroquímicos corresponde a un problema de vibración inducida por contacto con el ánodo. Dado el potencial para la inestabilidad del contacto del ánodo de amalgamas dentales, la en situ , el examen se reduce al mínimo limitando la capacidad de nanobattery, a su vez reduciendo el tiempo de carga.
Si el perfil de voltaje no es constante con la batería de película fina, se repite el procedimiento de limpieza como hay probablemente algunos la deposición causando problemas de cortocircuitos (figura 10). El paso de aislamiento de ánodo en particular es una gran fuente de material depositado nuevamente. Este procedimiento de limpieza disminuye la sección transversal de nanobattery, por lo que la densidad de corriente debe ser corregida en consecuencia. Cabe señalar que daño de la viga de ion no puede evitarse totalmente y se limita a entre unos pocos nm hasta un máximo de 25 nm en la superficie, calculada de simulaciones de dispersión de iones SRIM programa para 30 keV Ga+ en el electrodo de materiales18. Procesamiento de baja energía puede reducir el daño a una gran parte19. El proceso FIB demostraron aquí es única, y fabricación, manipulación y en situ pruebas de nanodispositivos es activado por los sistemas de doble haz de FIB-SEM. Es posible extender el proceso a cualquier otros químicos de la batería y otros dispositivos a nanoescala.
Es importante tener en cuenta que los parámetros específicos en este Protocolo no pueden transferir directamente a sistemas electroquímicos alternativos. LiPON fue determinada para ser sensibles a los efectos térmicos de la viga de ion bajo altas tasas de exploración. Sin embargo, otros electrolitos pueden sufrir otras sensibilidades. Del mismo modo, aunque el sistema material probado en el presente Protocolo mostraron buena electroquímica después de moler de ion Ga+ , otros sistemas materiales pueden ser más susceptibles a la implantación y rezagarse ion. Como tal, más exploración del espacio de parámetros puede ser necesaria para los sistemas de material alternativos. Los materiales más sensibles tales como sulfuros pueden realizar mal después de moler de ion, aunque esta área de investigación es en gran parte inexplorada con técnicas avanzadas de caracterización. Siendo realistas, estos parámetros se traducirán a sistemas más materiales de interés, como electrolitos sólidos modernos son generalmente cristalino y más robusta que LiPON. A pesar de estas potenciales limitaciones, la técnica se aplicará a los nuevos sistemas materiales, ofrecen la posibilidad de descubrir alternativos fenómenos interfaciales, en última instancia, descubrir mecanismos de impedancia. Continuación natural de esta técnica es la observación de ciclismo electroquímico en la TEM. Esto ha llevado a cabo en el sistema descrito en el presente Protocolo y descubierto comportamiento nunca antes visto en estas interfaces. Esta técnica permite la observación de formas alternas de impedancia.
Disclosures
No tenemos nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores reconocen el apoyo para el desarrollo de las baterías del todo-sólido-estado financiero y en situ FIB y TEM titular desarrollo Departamento de energía de Estados Unidos, oficina de Ciencias de energía básicas, en Premio DE número-SC0002357. La colaboración con los laboratorios nacionales es posible con apoyo parcial del noreste centro para el almacenamiento de energía química, un centro de investigación de frontera energética financiada por el Departamento de energía de Estados Unidos, oficina de ciencias básicas de energía bajo el premio número DE SC0001294. Esta investigación utilizó los recursos del centro para los nanomateriales funcionales, que es una DOE de los Estados Unidos Oficina de la ciencia, laboratorio nacional de Brookhaven bajo contrato no. DE-SC0012704. Este trabajo fue realizado en parte en la infraestructura San Diego de la nanotecnología (SDNI), miembro de la nanotecnología nacional infraestructura coordinada, que es apoyado por la National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Trabajo FIB fue realizado en parte en la UC Irvine materiales investigación Instituto (IMRI), utilizando instrumentación financiado en parte por el Centro Nacional de la Fundación Ciencia para la química en el límite del espacio-tiempo (-082913). Agradecemos a Nancy Dudney, Oak Ridge National Laboratory por facilitarnos las baterías de película delgada. J.L. reconoce apoyo del programa de becas de Eugene Cota Robles y D.S es agradecido a Serbia, India para la beca de Ramanujan (SB/S2/RJN-100/2014).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Biologic SP-200 Potentiostat | Biologic Science Instruments | SP-200 | Ultra Low Current Option needed for pA current resolution |
| FEI Scios DualBeam FIB/SEM | FEI | Current noise improves with a shielded stage feedthrough | |
| SEM Stub: Large Ø25.4mm x 9.5mm pin height | Ted Pella | 16144 | Or equivalent |
| PELCO Colloidal Silver Paste, Conductive | Ted Pella, Inc. | 16032 | Or equivalent |
| PELCO® FIB Lift-Out TEM Grids | Ted Pella | 10GC04 | Or equivalent |
References
- Giannuzi, L. A., Stevie, F. A. Introduction to focused ion beams: Instrumentation, theory, techniques and practice. , Springer. New York. (2005).
- Mayer, J., Giannuzi, L. A., Kamino, T., Michael, J. TEM sample preparation and FIB-induced damage. MRS Bulletin. 32 (5), 400-407 (2007).
- Pellerin, J. G., Griffis, D. P., Russeli, P. E. Focused ion beam machining of Si, GaAs and InP. J. Vac. Sci. Technol. B. 8, 1945-1950 (1990).
- Rubanov, S., Munroe, P. R. Investigation of the structure of damage layers in TEM samples prepared using a focused ion beam. J. Mater. Sci. Lett. 20 (13), 1181-1183 (2001).
- Lugstein, A., Basnar, B., Bertagnolli, E. Study of focused ion beam response of GaAs in the nanoscale regime. J. Vac. Sci. Technol. B. 20, 2238-2242 (2002).
- Kato, N. I. Reducing focused ion beam damage to transmission electron microscopy samples. J. Elect. Micro. 53 (5), 451-458 (2004).
- Bals, S., Tirry, W., Geurts, R., Yang, Z., Schryvers, D. High quality sample preparation by low kV FIB thinning for analytical TEM measurements. Microsc. Microanal. 13 (2), 80-86 (2007).
- Miyajima, N., et al. Combining FIB milling and conventional argon ion milling techniques to prepare high-quality site-specific TEM samples for quantitative EELS analysis of oxygen in molten iron. J. Elect. Microsc. 238 (3), 200-209 (2010).
- Scahaffer, M., Schaffer, B., Ramasse, Q. Sample preparation for atomic-resolution STEM at low voltages by FIB. Ultramicroscopy. 114, 62-71 (2012).
- Wang, Z., et al. Effects of cathode electrolyte interfacial (CEI) layer on long term cycling of all-solid-state thin-film batteries. J. Power Sources. 324, 349-357 (2016).
- Bates, J. B., Dudney, N. J., Gruzalski, G. R., Zuhr, R. A., Choudhury, A., Luck, C. F., Robertson, J. D. Fabrication and characterization of amorphous lithium electrolyte thin films and rechargeable thin-film batteries. J. Power Sources. 43, 103-110 (1993).
- Brazier, A., Dupont, L., Dantras-Laffont, L., Kuwata, N., Kawamua, J., Tarascon, J. M. First cross-section observation of an all-solid-state lithium ion "nanobattery" by transmission electron microscopy. Chem. Mater. 20 (6), 2352-2359 (2008).
- Yamamoto, A., et al. Dynamic visualization of the electric potential in an all-solid-state rechargeable lithium battery. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (26), 4414-4417 (2010).
- Santhanagopalan, D., et al. Interface limited lithium transport in solid-state batteries. J. Phys. Chem. Lett. 5 (2), 298-303 (2014).
- Wang, Z., et al. In situ STEM-EELS observation of nanoscale interfacial phenomena in all-solid-state batteries. Nano Lett. 16 (6), 3760-3767 (2016).
- Jang, Y. -I., Dudney, N., Blom, D. A., Allard, L. F. High-voltage cycling behavior of thin-film LiCoO2 cathodes. J. Electrochem. Soc. 149 (11), 1442-1447 (2002).
- Neudecker, B. J., Zuhr, R. A., Bates, J. B. Lithium silicon tin oxynitride (LiySiTON): high-performance anode in thin-film lithium ion batteries for microelectronics. J. Power Source. 81, 27-32 (1999).
- Ziegler, J. F. SRIM-2003. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 219, 1027-1036 (2004).
- Bals, S., Tirry, W., Geurts, R., Yang, Z., Schryvers, D. High quality sample preparation by low kV FIB thinning for analytical TEM measurements. Microsc. Microanal. 13 (2), 80-86 (2007).
