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Engineering

LiPON के लिए केंद्रित आयन बीम निर्माण-आधारित ठोस राज्य लिथियम आयन Nanobatteries में सीटू परीक्षण के लिए

doi: 10.3791/56259 Published: March 7, 2018
* These authors contributed equally

Summary

electrochemically सक्रिय LiPON के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल-आधारित ठोस राज्य लिथियम आयन nanobatteries एक केंद्रित आयन बीम का उपयोग प्रस्तुत किया है ।

Abstract

ठोस राज्य इलेक्ट्रोलाइट्स वर्तमान कार्बनिक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए एक होनहार प्रतिस्थापन कर रहे हैं, उच्च ऊर्जा घनत्व और लिथियम आयन (ली-आयन) बैटरी की बेहतर सुरक्षा को सक्षम करने से । हालांकि, असफलताओं के एक नंबर वाणिज्यिक उपकरणों में उनके एकीकरण को रोकने के । मुख्य सीमित कारक इलेक्ट्रोड/इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर होने वाली नेनो घटना के कारण है, अंततः बैटरी आपरेशन के क्षरण के लिए अग्रणी । इन प्रमुख समस्याओं का निरीक्षण करने के लिए और इन बैटरी कई दफन इंटरफेस होते के रूप में चिह्नित करने के लिए अत्यधिक चुनौतीपूर्ण हैं । पतली फिल्म बैटरियों में चेहरे की घटना के प्रत्यक्ष अवलोकन के लिए एक दृष्टिकोण एक केंद्रित आयन बीम (मिथ्या) द्वारा electrochemically सक्रिय nanobatteries के निर्माण के माध्यम से है । जैसे, एक विश्वसनीय nanobatteries बनाना तकनीक विकसित की है और हाल के काम में प्रदर्शन किया गया । इस के साथ साथ, एक विस्तृत प्रोटोकॉल एक कदम दर कदम प्रक्रिया के साथ इस nanobattery निर्माण प्रक्रिया के प्रजनन सक्षम करने के लिए प्रस्तुत किया है । विशेष रूप से, इस तकनीक LiCoO2/LiPON/a-Si से मिलकर एक पतली फिल्म बैटरी के लिए लागू किया गया था, और आगे पहले एक संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के भीतर सीटू सायक्लिंग में द्वारा प्रदर्शन किया गया है ।

Introduction

केंद्रित आयन मुस्कराते हुए (मिथ्या) संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के लिए मुख्य रूप से इस्तेमाल किया गया है (उनि) नमूना तैयारी और सर्किट संपादन1,2. Nanofabrication का उपयोग मिथ्या काफी अर्धचालक सामग्री पर अधिक ध्यान देने के साथ पिछले दो दशकों के दौरान प्रगति की है3। वैज्ञानिक अग्रिमों के लिए अपने महत्व के बावजूद, मिथ्या तकनीक के साथ प्रमुख चिंताओं, सतह को नुकसान, फिर से बयान, और अधिमान उच्च वर्तमान घनत्व4के कारण sputtering,5सहित रहते हैं । वहां उनि नमूनों की तैयारी के दौरान मिथ्या हानिकारक थोक सामग्री पर कई लेख गया है और इस नुकसान को कम करने के लिए कई तरीकों का प्रस्ताव किया गया है6,7,8,9। हालांकि, विभिंन कार्यक्षमता के साथ कई परतों से मिलकर बनता है कि सक्रिय उपकरणों के मिथ्या निर्माण अभी भी सीमित है ।

ठोस राज्य उपकरणों के लिए, विशेष रूप से ऊर्जा भंडारण के क्षेत्र में, इंटरफेस एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, और ठोस ठोस अंतरफलक सबसे अक्सर प्रतिबाधा10के एक प्रमुख स्रोत के रूप में देखा जाता है. इन इंटरफेस विशेष रूप से, उनके दफन प्रकृति और एक एकल डिवाइस में एकाधिक इंटरफेस की उपस्थिति में डेटा कनवल्शनफ़िल्टर्स का एक संयोजन के कारण विशेषता के लिए मुश्किल हैं । पूरी तरह से ठोस राज्य nanobatteries का निर्माण जांच करने के लिए महत्वपूर्ण है और इन इंटरफेस है, जो अंततः बैटरी में विद्युत प्रक्रियाओं को प्रभावित की गतिशील प्रकृति समझते हैं । तनु फिल्म लिथियम फॉस्फोरस oxynitride (LiPON) पर आधारित बैटरी से अधिक दो दशक पहले प्रदर्शन किया और वर्तमान में कर रहे है11व्यावसायिक । हालांकि एक पतली फिल्म की बैटरी से electrochemically सक्रिय nanobatteries के मिथ्या निर्माण इंटरफेस के सीटू मूल्यांकन में सक्षम करने के लिए महत्वपूर्ण है, सबसे करने के लिए विद्युत के कारण गतिविधि को बनाए रखने के मिथ्या असफल प्रयोग nanobatteries बनाना प्रयास शॉर्ट-सर्किटिंग12. में प्रारंभिक प्रयास सीटू सायक्लिंग केवल nanobattery का एक छोटा सा हिस्सा thinned, इलेक्ट्रॉन होलोग्रफ़ी द्वारा लिथियम वितरण का पालन करने के लिए13

अधिक हाल के काम electrochemically सक्रिय nanobatteries, जो दोनों पूर्व सीटू और सीटू में संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (स्टेम) और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी सक्षम के सफल मिथ्या निर्माण का प्रदर्शन किया है ( मछली) चेहरे की घटना14,15के लक्षण वर्णन । महत्वपूर्ण मिथ्या निर्माण मापदंडों कि विद्युत गतिविधि को बनाए रखने में मदद Santhanagopalan एट अल द्वारा संकेत दिया गया है । 14, और एक विस्तृत प्रोटोकॉल इस पांडुलिपि में प्रस्तुत किया गया है । यह प्रक्रिया एक मॉडल LiCoO2/LiPON/a-Si बैटरी पर आधारित है, लेकिन अंततः आगे पतली फिल्म बैटरी chemistries के अन्वेषण सक्षम हो जाएगा ।

Protocol

1. नमूना और प्रणाली की तैयारी

  1. एक पूरा पतली फिल्म एक अल2हे3 सब्सट्रेट (500 µm मोटी) से मिलकर बैटरी प्राप्त करें, एक गोल्ड कैथोड वर्तमान कलेक्टर (100-150 एनएम मोटी, डीसी sputtered), एक LiCoO2 कैथोड (2 µm मोटी, आरएफ sputtered), एक LiPON इलेक्ट्रोलाइट (1 µm मोटी, आरएफ sputtered), एक अमली सिलिकॉन anode (80 एनएम मोटा, आरएफ sputtered), और एक घन anode वर्तमान कलेक्टर (100 एनएम, डीसी sputtered)16,17
  2. एक 25 मिमी व्यास एल्यूमीनियम sem ठूंठ पर एक पूरी पतली फिल्म की बैटरी माउंट, और एक तांबे टेप का उपयोग करने के लिए बिजली के प्रभाव को कम करने के लिए SEM ठूंठ को वर्तमान कलेक्टर कनेक्ट ।
  3. चैंबर नीचे पंप करने से पहले, एक कम शोर विद्युत मार्ग की पुष्टि तांबे ग्रिड है, जो nanobattery पर बढ़ जाएगा और कैथोड (चित्रा 1) के लिए प्रवाहकीय मार्ग के रूप में काम करेंगे करने के लिए मौजूद है ।
    1. एक ढाल विद्युत feedthrough के माध्यम से मंच के लिए कैथोड नेतृत्व कनेक्ट, के रूप में उपयुक्त कनेक्शन प्रकार के साथ इलेक्ट्रॉन बीम प्रेरित वर्तमान (EBIC) माप के लिए सुसज्जित प्रणालियों में मौजूद है । आंतरिक रूप से, एक उजागर टिप के साथ एक ढाल तार के साथ मंच के लिए feedthrough कनेक्ट; उजागर तार टिप हासिल करने की विधि नमूना चरण प्रकार पर निर्भर करेगा, और, यहाँ, यह जगह में एक अप्रयुक्त मंच सेट पेंच द्वारा आयोजित किया जाता है.
    2. वैकल्पिक रूप से, और साधन के मंच के भूतल सर्किट के विंयास पर निर्भर करता है, मंच जमीन के लिए potentiostat के कैथोड नेतृत्व कनेक्ट एक BNC केबल का उपयोग कर के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया है ।
    3. लगातार वर्तमान मोड में potentiostat का उपयोग कर कम वर्तमान शोर परीक्षण करते हैं । वर्तमान के साथ जो सीटू सायक्लिंग प्रदर्शन किया जा रहा है लागू होते हैं, और सटीकता और मापा वर्तमान की परिशुद्धता निरीक्षण ।
      नोट: 1.3.1, 1 पीए ± 0.1 pa की एक मापा वर्तमान में वर्णित विंयास का उपयोग कर प्राप्त किया गया था ।
  4. इसी तरह, micromanipulator टिप से जांच के बाहर करने के लिए एक प्रवाहकीय मार्ग बनाने के लिए micromanipulator एक BNC केबल का उपयोग कर जमीन के लिए potentiostat के anode नेतृत्व को जोड़ने या एक मगरमच्छ क्लिप के रूप में चित्र 1में दिखाया गया है ।
    1. चरण 1.3.3 में के रूप में, potentiostat का उपयोग कर कम वर्तमान शोर परीक्षण निरंतर वर्तमान मोड में निष्पादित करें ।
      नोट: चरण 1.4 में वर्णित कनेक्शन का उपयोग कर, ंयूनतम स्थिर वर्तमान प्राप्त 10 pa ± 1 फिलीस्तीनी अथॉरिटी, unmicromanipulator से जुड़े मैदान के कारण था ।

2. लिफ्ट-आउट ऑफ द Nanobattery

  1. SEM/मिथ्या चैंबर में नमूना लोड और प्रणाली के लिए नीचे पंप निर्दिष्ट उच्च वैक्यूम (≤ 10-5 mbar) इलेक्ट्रॉन बीम और आयन बीम इमेजिंग पर मोड़ से पहले ।
  2. पतली फिल्म बैटरी की सतह पर इलेक्ट्रॉन बीम ध्यान केंद्रित करने और eucentric ऊंचाई का निर्धारण मानक SEM/मिथ्या प्रक्रियाओं1
  3. इस तरह के नमूने झुकाव है कि आयन बीम बैटरी की सतह के लिए सामान्य है (यहाँ 52 ° नमूना झुकाव), और एक 1.5 से 2 µm मोटी परत जमा organometallic प्लेटिनम के शीर्ष वर्तमान कलेक्टर पर पतली फिल्म बैटरी का उपयोग कर एक आयन बीम वर्तमान के आसपास 0.3 ना एक d 25 x 2 µm (चित्रा 2) के एक क्षेत्र में 200 एन एस के समय निवास ।
  4. सेट आयन बीम वोल्टेज के लिए 30 केवी और आयन बीम प्रायोगिक प्रोटोकॉल के शेष के लिए 100 एनएस करने के लिए समय निवास ।
  5. एक कदम पैटर्न पार-अनुभागीय मिथ्या मिलिंग विकल्प का प्रयोग करें, के रूप में मिथ्या सॉफ्टवेयर में प्रदान की, पीटी के आसपास ढेर nanobattery बेनकाब-जमा, के रूप में उनि lamella तैयारी1। एक मिलिंग वर्तमान ≤ 2.8 nA का चयन करें । इनपुट सक्रिय पतली फिल्म बैटरी (जेड = 5 इस मामले में µm), एक क्रॉस-अनुभागीय चौड़ाई (x) के 25 µm और एक क्रॉस अनुभागीय ऊंचाई (y) 1.5 x Z (यहां, y = 7.5 µm) के नीचे से कम 1 µm विस्तार करने के लिए एक मिल गहराई । बाद में, बैटरी पार अनुभाग उजागर, SEM में देखा जा सकता है (यहां, इलेक्ट्रॉन बीम सामांय सतह से 52 डिग्री है) के रूप में चित्रा 3में ।
    नोट: वास्तविक मिल गहराई पतली फिल्म बैटरी निर्भर है ।
  6. एक क्रॉस-खंड सफाई प्रक्रिया का प्रयोग करें, मिथ्या सॉफ्टवेयर में प्रदान की है, जहां आयन बीम संवर्द्धित सतह के करीब rasters साफ किया जा रहा है, एक आयन बीम मौजूदा ≤ 0.3 nA से साफ करने के लिए फिर से जमा सामग्री और स्पष्ट रूप से स्तरित संरचना बेनकाब ( चित्रा 3) ।
  7. के तहत आयत की एक श्रृंखला प्रदर्शन (भी जंमू में कटौती या U-कटौती बुलाया) 0 ° और बीम वर्तमान ≤ 2.8 ना के एक चरण झुकाव पर nanobattery2के बहुमत को अलग करने के लिए । बनाओ के तहत मैं से मिलकर कटौती) एक कम आयत 0.5 x 25 Au वर्तमान कलेक्टर के नीचे µm पर अल2हे3 सब्सट्रेट, ii) एक ऊर्ध्वाधर आयत 0.5 µm चौड़ा (एक्स) और nanobattery मोटाई (Y), और iii) की संपूर्णता के माध्यम से एक ऊर्ध्वाधर आयत 0.5 µm वाइड (X) और एक ऊंचाई के साथ कम nanobattery मोटाई (Y-2.5 µm) के आसपास के रूप में Pt-लेपित nanobattery के रूप में चित्रा 4। इन तीन के तहत कटौती समानांतर मोड में प्रदर्शन किया जाना चाहिए (एक साथ मिल), के तहत कटौती क्षेत्रों के भीतर सामग्री के पुनः जमाव को रोकने के लिए ।
  8. नमूना 180 ° घुमाएँ और चरण 2.5 में के रूप में एक ही क्षैतिज तुर्रा प्रदर्शन करते हैं । यह शेष कनेक्टेड क्षेत्र के अलावा nanobattery के नीचे और किनारों को अलग करते हैं ।
  9. नमूना 180 ° घुमाएं । पार्क नियंत्रण सॉफ्टवेयर में निर्दिष्ट स्थिति के लिए micromanipulator डालें, फिर धीरे से यह सॉफ्टवेयर के एक्स-वाई-जेड आंदोलन का उपयोग कर nanobattery के साथ संपर्क में लाने के लिए ।
  10. micromanipulator को ठीक nanobattery के शीर्ष पर पीटी क्षेत्र के लिए आयन-बीम जमा 0.5 µm मोटी पीटी का उपयोग कर एक 30 कीव आयन बीम के साथ एक मौजूदा 10 pA के एक क्षेत्र पर 2 x 1 µm.
  11. आयन 1 ना के आसपास एक बीम वर्तमान के साथ nanobattery के शेष जुड़े हिस्से मिल, और micromanipulator के साथ खड़ी nanobattery बढ़ा (चित्रा 4बी).
  12. माउंट एक घन मिथ्या लिफ्ट पर nanobattery-आउट ग्रिड के साथ 2 µm मोटी आयन बीम जमा पीटी का उपयोग कर एक 30 कीव आयन बीम के एक मौजूदा के साथ ०.२८ ना 10 x 5 µm के एक क्षेत्र पर.
  13. आयन दूर मिल micromanipulator और nanobattery के बीच संबंध का उपयोग कर एक 30 कीव आयन बीम का एक वर्तमान के साथ ०.२८ nA का एक क्षेत्र पर 1 x 1 µm 2 µm की गहराई करने के लिए, एक freestanding खंड को छोड़कर घन ग्रिड से जुड़ी (चित्रा 5)1.
    नोट: मुद्रा लिफ्ट आउट ग्रिड nanobattery बढ़ते के साथ ही मंच और nanobattery के बीच एक कंडक्टर मार्ग के रूप में सेवारत के लिए एक फ्लैट आधार प्रदान करता है ।

3. सफाई और Nanobattery साइकिल चालन

  1. इस तरह के नमूने झुकाव है कि आयन बीम बैटरी की सतह के लिए सामान्य है और एक क्रॉस-अनुभागीय सफाई प्रक्रिया का उपयोग करें (देखें 2.4 कदम) पुन:-जमा सामग्री को दूर करने के लिए घन ग्रिड के पास nanobattery के एक 5 µm व्यापक खंड पर, व्यक्तिगत परतों के एक स्पष्ट देखने के लिए अग्रणी nanobattery (चित्रा 6) ।
    नोट: पिछले मिलिंग कदम से पुनः जमा सामग्री ग्रिड से हटा दिया जाना चाहिए nanobattery घुड़सवार को nanobattery के electrochemically सक्रिय कोर बेनकाब और shorting को रोकने के ।
  2. जमा 500 एनएम मोटी मिथ्या-पीटी 1 x 2 µm के एक क्षेत्र पर 0.1 nA की एक वर्तमान के साथ एक 30 कीव बीम का उपयोग कर कैथोड वर्तमान कलेक्टर और धातु ग्रिड, जो बिजली के मंच से जुड़ा हुआ है के बीच एक बिजली के संपर्क बनाने के लिए (चित्रा 6बी) ।
  3. 0 ° और करने के लिए नमूना झुकाव, 1 ना की एक आयन बीम वर्तमान का उपयोग करना, एक आयताकार कट 3 µm चौड़ा और काफी गहरा (Z ~ 2 µm) पूरी तरह से anode वर्तमान कलेक्टर और इलेक्ट्रोलाइट को दूर करने के लिए, घन ग्रिड से anode (चित्रा 6सी) को अलग ।
  4. पार अनुभाग सफाई प्रक्रिया का प्रयोग करें (एक आयन बीम 0.1 nA के आसपास वर्तमान के साथ कदम 2.4) nanobattery पार के सभी पक्षों के आसपास पुनः जमा सामग्री को दूर करने के लिए जब तक सभी व्यक्तिगत परतों को स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहे है के रूप में चित्र 6 में दिखाया गया d.
  5. पार्क की स्थिति के लिए micromanipulator डालें और नियंत्रण सॉफ्टवेयर का उपयोग कर, anode वर्तमान कलेक्टर के ऊपर पीटी के साथ संपर्क में micromanipulator ले आओ । आयन बीम जमा 0.2 µm मोटी पीटी 2 x 1 µm के एक क्षेत्र पर "वेल्ड" micromanipulator और वर्तमान कलेक्टर ( चित्रा 6डी)1से कनेक्ट करने के लिए 10 फिलीस्तीनी अथॉरिटी के एक मौजूदा के साथ एक 30 कीव आयन बीम का उपयोग कर ।
  6. galvanostatic सायक्लिंग मोड में potentiostat चलाते हैं । वर्तमान मापदंडों का इस्तेमाल किया अंतिम पार-गढ़े nanobattery और वांछित सी दर के अनुभागीय क्षेत्र पर निर्भर करते हैं, लेकिन आम तौर पर कुछ ना के आदेश पर किया जाएगा । हम प्रभारी और निर्वहन धाराओं का चयन करें जैसे कि वर्तमान घनत्व µA के दसियों के आदेश पर है/ LiCoO के लिए2-आधारित पतली फिल्म बैटरी, वोल्टेज रेंज 2.0 और 4.2 वी है ।

Representative Results

एक प्रतिनिधि ठोस राज्य ली-आयन nanobattery निर्माण प्रक्रिया द्वारा कदम-दर-७ आंकड़े को संदर्भित प्रोटोकॉल में दर कदम दिखाया गया है ।

चित्रा 8 दो कोशिकाओं है कि गढ़े थे की विद्युत चार्ज प्रोफाइल के सीटू परीक्षण में पता चलता है । दोनों प्रोफाइल स्पष्ट रूप से एक 3.6 V LiCoO2-एसआई पूर्ण सेल रसायन विज्ञान और सह के ऑक्सीकरण3 + → सह4 +इसी पठार दिखा । सेल-1 (चित्रा 8) एक कम वर्तमान घनत्व (50 µA/सेमी2) में 12.5 µ आह करने के लिए चार्ज क्षमता सीमित परीक्षण किया गया था2। सेल-2 (चित्रा 8बी) एक उच्च वर्तमान घनत्व पर एक चार्ज प्रोफाइल प्रस्तुत करता है, 1.25 mA/, कि ऊपरी कट ऑफ वोल्टेज से सीमित था 4.2 V । दर्ज की गई क्षमता के बारे में 105 µ आह/cm2, सेल की सैद्धांतिक क्षमता के करीब-2 (110-120 µ आह/cm2) । nanobatteries की पहली निर्वहन क्षमता गरीब किया गया है, जबकि बाद चक्र क्षमता (दोनों चार्ज और निर्वहन) पहले चक्र irreversibility के कारण सीमित थे । nanobatteries के निर्वहन की प्रक्रिया अभी भी अनुकूलित नहीं है, हालांकि, 60 µA/cm2 के वर्तमान घनत्व पर एक प्रतिनिधि शुल्क-निर्वहन प्रोफ़ाइल चित्रा 9में प्रस्तुत किया है । चार्ज क्षमता 30 मिनट तक सीमित थी और निर्वहन 2 वी तक ही सीमित था, और यह स्पष्ट है कि reversibility के बारे में 35% है । हालांकि reversibility एक बहुत क्या साहित्य में बताया गया है की तुलना में बेहतर है14, आगे अनुकूलन आवश्यक है ।

यदि वोल्टेज प्रोफ़ाइल पतली फिल्म बैटरी रसायन विज्ञान के अनुरूप नहीं है, यह संभावना है या तो बीम नुकसान या फिर से shorting-जमा सामग्री के कारण है । चित्रा 10 एक वोल्टेज प्रोफ़ाइल shorting के साथ संगत जहां वोल्टेज लगातार और लागू वर्तमान के लिए आनुपातिक है दिखाता है । आयन बीम छवि पुष्टि की है कि वहां फिर से बढ़त के साथ सामग्री जमा है । micromanipulator हटा दिया जाना चाहिए और आगे के पार अनुभागीय सफाई कदम इस सामग्री को हटाने की जरूरत है । इस सफाई प्रक्रिया nanobattery पार अनुभाग कम हो जाती है, तो वर्तमान घनत्व तदनुसार ठीक किया जाना चाहिए ।

Figure 1
चित्र 1 : विद्युत कनेक्शन योजनाबद्ध । एक potentiostat बाहरी कनेक्शन के माध्यम से मिथ्या nanobattery से जुड़ा है: 1) micromanipulator सुई के डिस्कनेक्ट जमीन को potentiostat के नकारात्मक टर्मिनल; 2) या तो एक विद्युत परिरक्षित निर्वात feedthrough या एक स्पर्श अलार्म सर्किट के रूप में मंच जमीन के लिए एक सीधा संबंध के लिए कैथोड पक्ष (दिखाया) । आंतरिक कनेक्शन micromanipulator और anode की नोक के बीच बना रहे हैं, और कैथोड और मंच के बीच एक तांबे उनि लिफ्ट आउट ग्रिड के माध्यम से । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2 : पं. पीटी सुरक्षात्मक टोपी की SEM छवि पतली फिल्म बैटरी सतह पर जमा करने के लिए नुकसान से बचने और संपर्क बनाने के लिए कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3 : Nanobattery पार धारा । nanobattery lamella के SEM छवियों को पार करने के बाद अनुभागीय काटने पर (एक) 52 ° पार अनुभाग देखें और (ख) और 0 ° शीर्ष देखें कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 4
चित्र 4 : Nanobattery liftout । आयन-बीम छवियों की (क) के साथ lamella के तहत कटौती और (ख) लिफ्ट बाहर micromanipulator द्वारा अलग nanobattery के कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 5
चित्र 5 : Nanobattery बढ़ते. (क) आयन बीम और (ख) वेल्डिंग के SEM छवि तांबे उनि ग्रिड के लिए उठाया nanobattery । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 6
चित्र 6 : Nanobattery सफाई. आयन-बीम की छवियां (a) nanobattery क्रॉस-अनुभागों में से एक क्लीनिंग, (ख) विद्युतीय पीटी जमाव से ग्रिड और कैथोड वर्तमान कलेक्टर को जोड़ने, (ग) को उनि ग्रिड से anode अलग काट, और (घ) सफाई मोर्चा, पीठ, और पक्षों के पार अनुभाग सभी पुनः जमा सामग्री को दूर करने के लिए । अंतिम संपर्क anode में पक्षपात के लिए micromanipulator का उपयोग करने के लिए किया जाता है. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 7
चित्र 7 : Nanobattery नुकसान. एक nanobattery पार की SEM छवियां (एक) नुकसान LiPON परत और (ख) उच्च आवर्धन LiPON परत में क्षति प्रेरित चक्र द्वारा संकेत के साथ खंड उच्च निवास समय इलेक्ट्रॉन बीम इमेजिंग LiPON इलेक्ट्रोलाइट में दिखाई परिवर्तन का उत्पादन । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 8
चित्र 8 : डेटा चार्ज करना Nanobattery. मिथ्या गढ़े nanobattery विद्युत के साथ अलग वर्तमान घनत्व पर प्रोफ़ाइल चार्ज (एक) 12.5 µ आह/सेमी2 और (बी) एक 4.2 V कट-बंद करने के लिए सीमित वोल्टेज सीमित क्षमता । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 9
चित्र 9 : Nanobattery सायक्लिंग प्रोफ़ाइल । मिथ्या गढ़े nanobattery विद्युत चार्ज और 60 µA/cm2के एक वर्तमान घनत्व पर प्रोफाइल निर्वहन । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 10
चित्र 10 : shortd nanobattery. (क) एक nanobattery है कि ठीक से फिर से shorting में जिसके परिणामस्वरूप साफ नहीं किया गया था की वोल्टेज प्रोफ़ाइल जमा सामग्री और (ख) क्रॉस अनुभागीय आयन बीम छवि । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Discussion

के रूप में हमारे परिणामों द्वारा प्रदर्शित, तकनीक का उत्पादन electrochemically सक्रिय nanobatteries एक बड़ा पतली फिल्म बैटरी से बाहर उठा वर्णित है । इस तरह की तकनीक दोनों पूर्व सीटू और galvanostatically पक्षपातपूर्ण nanobattery द्वारा दफन इंटरफेस की सीटू स्टेम/ यह मात्रात्मक रासायनिक आरोप के विद्युत राज्य से जुड़े घटना के अभूतपूर्व उच्च संकल्प लक्षण वर्णन की अनुमति देता है । हालांकि, इन परिणामों को प्राप्त करने के लिए, विशिष्ट बाधाओं की एक संख्या को दूर किया जाना चाहिए ।

मिथ्या प्रसंस्करण शुरू करने से पहले, निरंतर वर्तमान परीक्षण के लिए सुनिश्चित करें कि वहां कैथोड और nanobattery के anode के लिए एक कम शोर विद्युत मार्ग है आयोजित किया जाना चाहिए । कैथोड पक्ष परीक्षण मिथ्या चैंबर वेंट के साथ प्रदर्शन किया जा सकता है । नीचे nanobattery निर्माण के लिए चैंबर पंप से पहले, सकारात्मक टर्मिनल के रूप में अगर प्रयोग प्रदर्शन (या तो एक निर्वात feedthrough या मंच जमीन के माध्यम से), और नकारात्मक मंच से सीधे जुड़ा टर्मिनल जुड़ा होना चाहिए । ध्यान दें कि अगर एक मंच कनेक्शन के रूप में स्पर्श अलार्म का उपयोग कर, साधन के स्पर्श अलार्म क्षमता अक्षम किया जा सकता है, और कनेक्शन केवल जब मंच के कोई आगे झुकने आवश्यक है बनाया जाना चाहिए । हालांकि, यहां परीक्षण प्रणाली शूंय के तहत होने की आवश्यकता होगी, और वर्तमान दोनों micromanipulator और मंच सर्किट के माध्यम से पारित होगा । micromanipulator लगातार वर्तमान शोर परीक्षणों के लिए पीटी के साथ तांबे ग्रिड के लिए बिजली का पालन किया जा सकता है । यदि वर्तमान रिज़ॉल्यूशन समस्याएँ बनी रहती हैं, तो चरण सिस्टम जमीन से जोड़े करने के लिए कैसे पर जानकारी के लिए अपने विक्रेता से संपर्क करें ।

काम करने के लिए इस तकनीक के लिए, यह ठोस इलेक्ट्रोलाइट LiPON को नुकसान को कम करने के लिए प्रदान की आयन बीम विनिर्देशों का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण है । LiPON (i) आर्द्र वायुमंडलीय स्थितियों के लिए लंबे समय तक जोखिम के प्रति अति संवेदनशील है, (ii) इलेक्ट्रॉन बीम, और (iii) आयन मुस्कराते हुए । इसलिए ठोस राज्य nanobattery निर्माण प्रक्रिया इन शर्तों के सभी तीन के लिए जोखिम के ंयूनतम की आवश्यकता है । वायुमंडलीय स्थितियों के लिए पूर्व और बाद में निर्माण जोखिम बिल्कुल कम किया जाना चाहिए । वर्णित सीटू मिथ्या सायक्लिंग प्रक्रिया में इस जोखिम को कम करने के लिए एक समाधान के रूप में विकसित किया गया था । के दौरान और निर्माण के बाद, इलेक्ट्रॉन बीम इमेजिंग सीमित किया जाना चाहिए, के रूप में यह ठोस-इलेक्ट्रोलाइट नुकसान । इसी तरह, आयन बीम इमेजिंग भी इलेक्ट्रोलाइट और अन्य सक्रिय घटकों के क्षरण से बचने के रूप में अच्छी तरह से सीमित होना चाहिए. विशिष्ट मिलिंग फ़ाइलें और समय सामग्री की तालिका में उल्लिखित उपकरणों के आधार पर कर रहे हैं/विशिष्ट रिएजेंट, उपकरण, और निर्माताओं के लिए उपकरण; यह मिथ्या उपकरणों के बीच भिंन हो सकते हैं, और संशोधनों जब एक और साधन का उपयोग की आवश्यकता हो सकती है ।

एक nanobattery के मिथ्या निर्माण में सभी मापदंडों के, सबसे महत्वपूर्ण विचार कम बीम वर्तमान का उपयोग कर रहे है और समय के लिए14नुकसान को कम करने के लिए आवास । जब भी आवश्यक, इमेजिंग कम पिक्सेल आवास समय पर इलेक्ट्रॉनों के साथ और कम बीम वर्तमान (आमतौर पर फिलीस्तीनी अथॉरिटी में) और कम आवास समय (100 एन एस) पर आयन मुस्कराते हुए के साथ किया जाता है । समय के अधिकांश, उच्च निवास समय इलेक्ट्रॉन बीम इमेजिंग LiPON इलेक्ट्रोलाइट पर दिखाई परिवर्तन का उत्पादन । चित्र 7 एक एक इलेक्ट्रॉन बीम के साथ एक unLiPON और आगे इमेजिंग दिखाता है चित्रा 7बीमें दिखाया गया के रूप में LiPON परत को नुकसान लाती है । यह क्षति अपरिवर्तनीय एक विपरीत परिवर्तन में जिसके परिणामस्वरूप है और nanobattery electrochemically निष्क्रिय रेंडर करेगा ।

इसके अलावा, विद्युत सायक्लिंग के लिए, उचित देखभाल के लिए कैथोड वर्तमान कलेक्टर और ग्रिड ठीक से (चित्रा 6बी) के बीच विद्युत संपर्क बनाने के लिए लिया जाना चाहिए । यह anode (चित्रा 6) के लिए micromanipulator संपर्क बनाए रखने के लिए इसी तरह महत्वपूर्ण है; के रूप में चित्रा 8में देखा, लगभग 150 एस में, विद्युत डेटा में एक कील anode के साथ एक कंपन प्रेरित संपर्क समस्या से मेल खाती है । micromanipulator-anode संपर्क की अस्थिरता के लिए क्षमता को देखते हुए, सीटू में परीक्षण समय nanobattery क्षमता को सीमित करने से कम है, बारी में चार्ज समय को कम करने.

यदि वोल्टेज प्रोफ़ाइल पतली फिल्म बैटरी के अनुरूप नहीं है, सफाई की प्रक्रिया के रूप में वहां की संभावना कुछ फिर से बयान shorting मुद्दों (चित्रा 10) के कारण है दोहराया है । विशेष रूप से anode अलगाव कदम फिर से जमा सामग्री का एक बड़ा स्रोत है । इस सफाई प्रक्रिया nanobattery पार अनुभाग कम हो जाती है, तो वर्तमान घनत्व तदनुसार ठीक किया जाना चाहिए । यह उल्लेखनीय है कि आयन बीम क्षति पूरी तरह से बचा नहीं जा सकता है और यह सतह में 25 एनएम के एक अधिकतम करने के लिए कुछ एनएम के बीच तक ही सीमित है, के रूप में आयन कैटरिंग सिमुलेशन SRIM कार्यक्रम से गणना के लिए 30 कीव Ga+ में इलेक्ट्रोड सामग्री18. कम ऊर्जा प्रसंस्करण एक बड़ी हद तक नुकसान को कम कर सकते हैं19. मिथ्या प्रक्रिया यहां प्रदर्शित अद्वितीय है, और निर्माण, हेरफेर, और nanodevices के सीटू परीक्षण में मिथ्या-SEM दोहरी बीम सिस्टम द्वारा सक्षम है । यह किसी भी अन्य बैटरी chemistries और अन्य नेनो उपकरणों के लिए प्रक्रिया का विस्तार करने के लिए संभव है.

यह नोट करना महत्वपूर्ण है कि इस प्रोटोकॉल में प्रदान किए गए विशिष्ट पैरामीटर सीधे वैकल्पिक विद्युत सिस्टमों पर स्थानांतरित नहीं हो सकते । LiPON उच्च स्कैनिंग दरों के तहत आयन बीम से थर्मल प्रभाव के प्रति संवेदनशील होना निर्धारित किया गया था । हालांकि, अन्य इलेक्ट्रोलाइट्स अन्य संवेदनशीलता से पीड़ित हो सकता है । इसी प्रकार, यद्यपि सामग्री प्रणाली इस प्रोटोकॉल में परीक्षण Ga+ आयन मिलिंग के बाद अच्छा electrochemistry दिखाया, अंय सामग्री प्रणालियों और अधिक आयन straggle और आरोपण के लिए अतिसंवेदनशील हो सकता है । जैसे, पैरामीटर अंतरिक्ष के अधिक अंवेषण वैकल्पिक सामग्री प्रणालियों के लिए आवश्यक हो सकता है । इस तरह के sulfides के रूप में अधिक संवेदनशील सामग्री आयन मिलिंग के बाद खराब प्रदर्शन कर सकते हैं, हालांकि अनुसंधान के इस क्षेत्र में काफी हद तक उंनत लक्षण तकनीक के साथ बेरोज़गार है । वास्तविक, इन मापदंडों ब्याज की सबसे सामग्री प्रणालियों के लिए अनुवाद करेंगे, आधुनिक ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स आम तौर पर क्रिस्टलीय और LiPON की तुलना में अधिक मजबूत कर रहे हैं । इन संभावित सीमाओं के बावजूद, तकनीक नई सामग्री प्रणालियों के लिए लागू किया जाएगा, की क्षमता की पेशकश करने के लिए वैकल्पिक चेहरे की घटना की खोज, अंततः प्रतिबाधा तंत्र को उजागर. इस तकनीक को एक प्राकृतिक अनुवर्ती विद्युत साइकिल चालन का अवलोकन है उनि । यह इस प्रोटोकॉल में वर्णित प्रणाली पर किया गया है, और इन इंटरफेस पर पहले अनदेखी व्यवहार खुला । इस तकनीक प्रतिबाधा के वैकल्पिक रूपों का अवलोकन सक्षम हो जाएगा.

Disclosures

हमारे पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक सभी ठोस राज्य बैटरी के विकास के लिए धन का समर्थन स्वीकार करते है और सीटू मिथ्या और उनि धारक विकास में अमेरिका के ऊर्जा विभाग, बुनियादी ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय द्वारा, के तहत पुरस्कार संख्या DE-SC0002357 । राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं के साथ सहयोग रासायनिक ऊर्जा भंडारण के लिए पूर्वोत्तर केंद्र के आंशिक समर्थन के साथ संभव बना दिया है, एक ऊर्जा सीमांत अनुसंधान अमेरिका ऊर्जा विभाग द्वारा वित्त पोषित, पुरस्कार के तहत बुनियादी ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय संख्या DE-SC0001294 । इस अनुसंधान कार्यात्मक मैटीरियल्स के लिए केंद्र के संसाधनों का इस्तेमाल किया, जो एक अमेरिकी डो विज्ञान सुविधा के कार्यालय, Brookhaven राष्ट्रीय प्रयोगशाला में अनुबंध के तहत नहीं है । DE-SC0012704. इस काम के हिस्से में सैन डिएगो नैनो बुनियादी सुविधा (SDNI), राष्ट्रीय नैनो समंवित बुनियादी ढांचे के एक सदस्य है, जो राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान ECCS-१५४२१४८) द्वारा समर्थित है पर प्रदर्शन किया गया । मिथ्या काम भाग में UC इरविन सामग्री अनुसंधान संस्थान (IMRI) में प्रदर्शन किया, अंतरिक्ष में रसायन विज्ञान के लिए नेशनल साइंस फाउंडेशन सेंटर द्वारा भाग में वित्त पोषित इंस्ट्रूमेंटेशन का उपयोग कर रहा था समय सीमा (चे-०८२९१३) । हम हमें पतली फिल्म बैटरी प्रदान करने के लिए नैंसी Dudney, ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला धंयवाद । जीएल यूजीन Cota से समर्थन स्वीकार करता है-Robles फैलोशिप कार्यक्रम और डी. एस. सर्ब के लिए आभारी है, रामानुजन फैलोशिप के लिए भारत (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

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References

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LiPON के लिए केंद्रित आयन बीम निर्माण-आधारित ठोस राज्य लिथियम आयन Nanobatteries <em>में सीटू </em>परीक्षण के लिए
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Lee, J. Z., Wynn, T. A., Meng, Y. S., Santhanagopalan, D. Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing. J. Vis. Exp. (133), e56259, doi:10.3791/56259 (2018).More

Lee, J. Z., Wynn, T. A., Meng, Y. S., Santhanagopalan, D. Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing. J. Vis. Exp. (133), e56259, doi:10.3791/56259 (2018).

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