Yöntem makalesi

LiPON tabanlı katı hal lityum-iyon Nanobatteries in Situ test etmek için odaklı iyon kiriş imalatı

DOI:

10.3791/56259

⸱

7 Mart 2018

 ,  ,  , 
1Department of NanoEngineering, University of California San Diego, 2Materials Science and Engineering Program, University of California San Diego, 3Amrita Centre for Nanosciences and Molecular Medicine, Amrita Vishwa Vidyapeetham University

* These authors contributed equally

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bir odaklı iyon ışını kullanarak mamüllerinin active LiPON tabanlı katı hal lityum nanobatteries imalatı için bir protokol sunulmuştur.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Katı hal elektrolit daha yüksek enerji yoğunluğu ve lityum-iyon (Li-on) pil geliştirilmiş güvenliği etkinleştirme geçerli organik sıvı elektrolit için umut verici bir yedek vardır. Ancak, bir dizi aksiliklere kendi entegrasyon ticari cihazlar içine önlemek. Nano olayları akü işlemi düşmesine sonuçta lider elektrot/elektrolit arabirimleri, meydana gelen ana sınırlayıcı bir faktör kaynaklanmaktadır. Bu temel sorunları gözlemlemek ve bu piller birden çok gömülü arabirimi olarak karakterize son derece zor olan. İnce film pil interfacial olayların doğrudan gözlem için bir yaklaşım odaklı iyon demeti (yalan) tarafından mamüllerinin active nanobatteries imalatı geçer. Bu nedenle, nanobatteries imal etmek güvenilir bir teknik geliştirilmiş ve son çalışmalarında gösterdi. Burada, bu nanobattery imalat süreci çoğaltılması etkinleştirmek için adım adım süreci ile detaylı bir protokol sundu. Özellikle, bu teknik LiCoO2/LiPON/a-Si oluşan bir ince film pil uygulandı ve daha fazla daha önce in situ iletim elektron mikroskop içinde Bisiklete binme tarafından kanıtlanmıştır.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kirişler (yalan) esas transmisyon elektron mikroskobu (TEM) numune hazırlama ve1,2düzenleme devre için kullanılmış olan iyon duruldu. FIB kullanarak Nanofabrication son yirmi kadar odaklanmış durumdayken yarı iletken malzemeler3sırasında önemli ölçüde ilerlemiştir. Bilimsel gelişmeler için önemini rağmen FIB teknikleri ile büyük endişeleri kalır, yüzey hasarı, yeniden ifade ve tercihli nedeniyle yüksek akım yoğunluğu4,5SAÇTIRMA dahil. TEM numunelerin hazırlanması sırasında FIB zararlı hacim materyalleri üzerinde çeşitli makaleleri olmuştur ve bu zarar azaltmak için çeşitli yöntemler önerilen6,7,8,9olmuştur. Ancak, farklı işlevler ile çoklu katmanlar oluşur etkin cihazlar imalatı FIB hala sınırlıdır.

Enerji depolama alanında özellikle katı hal cihazlar için arayüzleri çok önemli bir rol oynamaktadır ve katı-katı arabirimi genellikle empedans10baskın kaynağı olarak görülür. Bu arabirimler, bir birleşimi kendi gömülü doğa ve huzurunda birden çok arabirim içinde a tek aygıt veri evrişim karakterize etmek özellikle zor. Tam katı hal nanobatteries imalatı yoklama ve sonuçta etkisi elektrokimyasal piller işlemlerde bu arabirimlerin dinamik doğasını anlamak çok önemlidir. İnce film Pil Lityum fosfor oxynitride (LiPON) göre fazla iki yıl önce gösterdi ve şu anda ticari11. İnce film bataryadan mamüllerinin active nanobatteries imalatı FIB arabirimleri, elektrokimyasal aktivite nedeniyle korumak için yalan başarısız kullanarak nanobatteries imal etmek çoğu girişimleri in situ değerlendirilmesi etkinleştirmek için kritik olmasına rağmen 12kısa devre. İlk girişimleri in situ Bisiklete binme lityum dağıtım elektron Holografi13tarafından gözlemlemek için nanobattery, sadece küçük bir bölümünü inceltilerek.

Daha yeni iş ex situ ve in situ iletim elektron mikroskobu (kök) ve elektron enerji kaybı spektroskopisi (tarama etkin mamüllerinin active nanobatteries başarılı FIB imalatı göstermiştir EELS) interfacial fenomen14,15karakterizasyonu. Elektrokimyasal aktivite korumak için yardımcı önemli yalan uydurma parametreleri Santhanagopalan ve ark. tarafından belirtilen 14ve detaylı bir protokol bu makale sundu. Bu yordamı modeli LiCoO2/LiPON/a-Si pilden dayanır, ancak sonuçta daha fazla ince film pili kimyaları keşfi sağlayacaktır.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. örnek ve sistem hazırlanması

  1. Bir Al2O3 substrat (500 µm kalınlığında), bir altın katot geçerli Toplayıcı oluşan bir tam ince film pil ulaşmak (100-150 nm kalın, DC püskürtmeli), bir LiCoO2 katot (2 µm kalınlığında, RF püskürtmeli), bir LiPON elektrolit (1 µm kalınlığında, RF püskürtmeli), bir amorf silikon anot (80 nm kalın, RF püskürtmeli) ve Cu anot geçerli Toplayıcı (100 nm, püskürtmeli DC)16,17.
  2. 25 mm çapında alüminyum SEM saplama üzerinde tam ince film pil bağlayın ve bakır teypten elektrikle şarj etkileri en aza indirmek için SEM saplama katot geçerli Toplayıcı bağlamak için kullanın.
  3. Odası pompa önce bakır kılavuza nanobattery üzerine monte ve katot (şekil 1) iletken İlerlenilen işlevi görecek bir düşük gürültü elektrik yol var doğrulayın.
    1. Katot kurşun bağlanmak Sahne Alanı'na bir korumalı elektrik feedthrough ile olduğu gibi elektron ışını geçerli (EBIC) ölçümleri uygun bağlantı türü ile indüklenen için donatılmış sistemler mevcut. Dahili olarak, feedthrough maruz kalan bir ipucu ile korumalı bir tel ile sahne bağlanın; açıkta tel ucu korumanın yöntemi örnek sahne türüne bağlıdır ve burada, bu yerde bir kullanılmayan sahne set vida ile düzenlenmektedir.
    2. Alternatif olarak ve gerecin sahne, topraklama devresi yapılandırmasına bağlı olarak şekil 1' de gösterildiği gibi bir BNC kablo ile sahne yere potansiyostat katot kurşun bağlayın.
    3. Potansiyostat sürekli geçerli modda kullanarak düşük akım gürültü testi gerçekleştirin. Hangi situ ile gerçekleştirilecek Bisiklete binme vardır geçerli uygulamak ve doğruluk ve kesinlik ölçülen geçerli gözlemlemek.
      Not: 1.3.1 içinde açıklanan yapılandırma'yı kullanarak, 1 pA ± 0,1 PA ölçülen bir akım sağlanır.
  4. Benzer şekilde, bir iletken yol micromanipulator uç--dan sonda dışa doğru potansiyostat anot kurşun BNC kablo veya şekil 1' de gösterildiği gibi bir timsah klip kullanarak zemin micromanipulator bağlanarak oluşturmak.
    1. 1.3.3 adımı olduğu gibi potansiyostat sürekli geçerli modda kullanarak düşük akım gürültü testi gerçekleştirin.
      Not: 1.4. adımda anlatılan bağlantıları kullanarak, elde en az istikrarlı geçerli micromanipulator için bağlı unshielded gerekçesiyle nedeniyle 10 pA ± 1 pA oldu.

2. Asansör-dışarı-in Nanobattery

  1. Örnek SEM/FIB odası ve pompa aşağı sistem belirtilen yüksek vakum (≤10-5 mbar) üzerinde elektron açmadan önce yüklemek kiriş ve iyon ışınla görüntüleme.
  2. Elektron ışını ince film batarya yüzey üzerinde odaklanmak ve standart SEM/FIB yordamları1kullanarak eucentric yüksekliği belirlemek.
  3. Öyle ki iyon demeti pil yüzeye normal örnek eğimli (burada 52° örnek eğimli) ve bir iyon demeti mevcut 0.3 nA çevresinde ince film bataryanın en iyi geçerli Toplayıcı üzerinde 1,5-2 µm kalın bir tabaka Organometalik Platin FIB yatırılan mevduat bir d durmak zaman 200 ns 25 x 2 µm (Şekil 2) bir alanın üzerinde.
  4. İyon ışını voltajı 100 30 kV ve iyon demeti Işınma Zamanı ayarla ns deneysel protokol geri kalanı için.
  5. Seçeneği, freze bir adım-deseni kesitsel yalan yalan yazılım, sağlanan nanobattery yığın TEM lamel hazırlık1Pt-mevduat çevresinde ortaya çıkarmak için kullanması. Freze geçerli ≤2.8 seçin na En az 1 µm etkin ince film pil altında uzanan bir değirmen derinlik giriş (Z = 5 mikron bu durumda), Kesit genişliği (X) 25 µm ve çapraz kesit yüksekliği (Y) 1.5 z (burada, Y 7.5 µm =). Daha sonra pil kesit, SEM görülebilmesini maruz kalmaktadır (elektron ışını yüzey normal üzerinden 52 ° burada) olduğu gibi şekil 3.
    Not: Gerçek öğütülmüş ince film pil bağımlı derinliğidir.
  6. Nerede iyon artımlı olarak temizlenmektedir yüzeye daha yakın raster ışınla, FIB yazılım bir iyon demeti geçerli ≤0.3 ile kapalı temiz nA malzeme yeniden yatırılan ve açıkça ortaya katmanlı yapısı ( bir kesit temizlik yordamı kullanın Şekil 3).
  7. (J-keser veya U-keser de denir) dikdörtgen altında keser bir sahne tilt 0 ° bir dizi yapmak ve geçerli ≤2.8 ışınla nA nanobattery2çoğunluğu yalıtmak için. Au geçerli Toplayıcı Al2O3 substrat, II üzerine aşağıda alt i) bir dikdörtgen 0.5 x 25 µm oluşan altı kesim yapmak) bir dikey dikdörtgen 0,5 µm geniş (X) ve nanobattery kalınlık (Y) ve III tamamı üzerinden) dikey dikdörtgen 0.5 µm geniş (X) ve yüksekliği gibi şekil 4birPt kaplı nanobattery çevresinde nanobattery kalınlığı (Y - 2.5 µm) daha az olan. Bu üç alt kesim (aynı anda öğütülmüş), paralel modunda malzeme altında kesim bölgeler içinde yeniden birikimi önlemek için yapılmalıdır.
  8. Örnek 180 ° Döndür ve adım 2,5 olduğu gibi kesme vuruşu aynı yatay gerçekleştirmek. Bu alt ve nanobattery dışında kalan bağlı bölge kenarlarında yalıtır.
  9. Örnek 180 ° döndür. Kontrol yazılımı belirtilen park konumuna micromanipulator takın, daha sonra yazılım x-y-z hareketi kullanarak nanobattery ile temas yavaşça.
  10. Micromanipulator nanobattery üzerine Pt bölgesine iyon 0.5 µm yatırma ışın tarafından tamir kalın Pt 30 keV iyon demeti 10 pA bir akım ile 2 x 1 µm bir alan üzerinde kullanarak.
  11. Kalan iyon değirmen nanobattery bölümünü 1 nA ve zam dikey olarak micromanipulator (şekil 4b) ile nanobattery çevresinde geçerli bir ışın ile bağlı.
  12. Mount nanobattery Cu FIB Asansör-out kılavuz 2 µm kalınlığında iyon-ışın ile 30 keV iyon demeti 0,28 nA bir akım ile 10 x 5 µm bir alan üzerinde kullanarak Pt yatırılır.
  13. İyon değirmen uzakta 1 x 1 µm derinliğe kadar 2 µm duran bir bölümü bırakarak, bir alanın üzerinde 0,28 nA bir akım ile 30 keV iyon ışını kullanarak nanobattery ve micromanipulator arasındaki bağlantı Cu kılavuz (şekil 5)1' e bağlı.
    Not: Cu Asansör-out kılavuz nanobattery montaj hem de sahne ve nanobattery arasındaki iletken bir yol olarak hizmet için düz bir üs sağlamaktadır.

3. Temizleme ve Nanobattery Bisiklete binme

  1. Öyle ki iyon demeti pil yüzeye normal örnek eğilme ve kesitsel bir temizlik yordamı kullanın (bkz. Adım 2.4) üzerinden bireysel katmanları net bir görünüm için önde gelen Cu kılavuz yakınındaki nanobattery 5 mikron geniş bölümünü yeniden yatırılan malzeme çıkarmak için nanobattery (şekil 6bir).
    Not: Önceki freze adımlardan gelen yeniden bırakılmış materyalin nanobattery mamüllerinin etkin çekirdeği açığa ve kısa devre önlemek için kılavuz monte nanobattery kaldırılması gerekir.
  2. Depozito 500 nm kalın FIB-Pt 30 keV ışın 0.1 nA bir akım ile 1 x 2 µm bir alan üzerinde katot geçerli Toplayıcı ve elektriksel olarak sahne alanı'na (şekil 6b) bağlı metalik ızgara arasında elektrik bir kişi oluşturmak için kullanarak.
  3. Örnek 0 ° eğim ve bir iyon kullanarak 1 nA geçerli ışınla, bir dikdörtgen 3 µm geniş ve yeterince derin kesilmiş olun (Z ~ 2 µm) tamamen anot geçerli Toplayıcı ve elektrolit, anot (şekil 6c) Cu kılavuzundan yalıtma kaldırmak için.
  4. Kesit temizlik yordamı kullanın (bkz. Adım 2.4) tek tek katmanları şekil 6 ' da gösterilen belirgin görünür hale gelene kadar tüm nanobattery kesit kenarlarına etrafında yeniden yatırılan malzeme çıkarmak için 0,1 nA çevresinde geçerli bir iyon kirişli d.
  5. Micromanipulator park konumuna yerleştirin ve kontrol yazılımı kullanarak, Pt anot geçerli Toplayıcı yukarıda temas micromanipulator getir. İyon demeti mevduat 0.2 µm kalınlığında 30 keV iyon demeti 10 pA bir akım ile 2 x 1 µm bir alan üzerinde "kaynak için" kullanarak Pt connect micromanipulator ve geçerli Toplayıcı ( şekil 6d)1.
  6. Potansiyostat galvanostatic Bisiklete binme modunda çalıştırın. Kullanılan geçerli parametreler fabrikasyon nanobattery ve istenen C-oranı son kesitsel alan üzerinde bağlıdır, ancak genellikle birkaç na sırasına olacaktır Biz gider öğesini seçin ve akım yoğunluğu µA/cm2onlarca sırasına öyle ki deşarj akımları. LiCoO2-tabanlı ince film piller, voltaj alanı olduğunu 2.0 ve 4,2 V.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bir temsilci katı hal Li-iyon nanobattery imalat süreci rakamlar 1-7 başvuran protokolünde adım adım gösterilmektedir.

Şekil 8 in situ fabrikasyon iki hücre elektrokimyasal şarj profilleri test gösterir. Her iki profilleri LiCoO2-Si tam hücre kimya ve oksidasyon Co3 + → Co4 +için karşılık gelen bir 3,6 V Plato açıkça gösteriyor. Hücre-1 (şekil 8bir) 12.5 µAh/cm2şarj kapasitesi sınırlı bir daha düşük akım yoğunluğu (50 µA/cm2) adlı test edildi. Hücre-2 (şekil 8b) daha yüksek bir akım yoğunluğu, 4,2 V üst kesme gerilim tarafından sınırlı 1,25 mA/cm2, , şarj profil sunuyor. Kaydedilen kapasitesi yaklaşık 105 µAh/cm2, hücre-2 (110-120 µAh/cm2) teorik kapasite yakın oldu. Sonraki döngüsü kapasiteleri (şarj ve deşarj) ilk döngüsü irreversibility nedeniyle sınırlı iken nanobatteries ilk deşarj kapasitesini zavallı olmuştur. Nanobatteries deşarj süreci hala en iyi, ancak, bir akım yoğunluğu 60 µA/cm2 temsilcisi şarj-deşarj profilde Şekil 9' da sunulmuştur. Şarj kapasitesi 30 dk sınırlıydı ve akıntı 2 V sınırlı ve bu reversibility % 35 olduğu açıktır. Daha fazla reversibility edebiyat14' te bildirilen daha çok daha iyi olsa da, optimizasyon gereklidir.

Gerilim profil ince ince tabaka pil kimya ile tutarlı değilse, bu her iki kiriş zarar nedeniyle büyük olasılıkla ya da yeniden yatırılan malzemesinden kısaltma var. Şekil 10 bir gerilim profili voltajı sabit ve orantılı uygulanan geçerli nerede kısa devre ile tutarlı gösterir. İyon-kiriş görüntü kenarı boyunca yeniden bırakılmış materyalin olduğunu doğrular. Micromanipulator kaldırılması ve daha fazla kesitsel temizleme adımları bu malzeme çıkarmak için ihtiyaç vardır. Akım yoğunluğu buna göre düzeltilmesi gerektiğini bu yüzden temizlik bu yordamı nanobattery kesiti azalır.

figure-results-1
Resim 1 : Elektrik bağlantısı şematik. Bir potansiyostat yalan nanobattery dış bağlantı üzerinden bağlı: 1)'den micromanipulator iğne; bağlantısı kesilen yer potansiyostat eksi terminali 2) elektrikle korumalı bir vakum feedthrough veya doğrudan bir bağlantı (gösterilen) bir dokunmatik alarm devre gibi sahne yere katot tarafı. İç bağlantıları arasında micromanipulator ucu ve anot ve katot ve bakır TEM Asansör-out kılavuz aşamasında arasında yapılır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-2
Resim 2 : Pt ifade. SEM görüntü hasar ve verme iletişim. önlemek için ince film pil yüzeyinde biriken Pt koruyucu kapak Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-3
Şekil 3 : Nanobattery kesit. Kesitsel kesme (a) 52 ° kesit görünümü ve (b) ve 0 ° üstten görünüm. sonra nanobattery lamel SEM görüntüleri Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

figure-results-4
Şekil 4 : Nanobattery kaldırma. (A) altında kesim ve (b) ile lamel iyon-ışını görüntüleri Asansör-yalıtılmış nanobattery micromanipulator. tarafından out Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

figure-results-5
Şekil 5 : Nanobattery montaj. (a) bakır TEM kılavuza kaldırdı nanobattery kaynak iyon-kiriş ve (b) SEM görüntü. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

figure-results-6
Şekil 6 : Nanobattery temizlik. İyon-ışını görüntülerini nanobattery kesitler, elektrikle Pt biriktirme, anot TEM kılavuz ve (d) temizlik yalıtmak için kesmek (c) tarafından ızgara ve katot geçerli Toplayıcı bağlanma (b) birini temizlik (a) ön, arka ve yan tüm yeniden yatırılan malzeme çıkarmak için kesiti. Son göze. kutuplama için micromanipulator kullanarak anot için geldim Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

figure-results-7
Şekil 7 : Nanobattery hasar. Nanobattery kesit (a) hasarsız ile SEM görüntüleri LiPON katman ve (b) görüntüleme yüksek büyütmede indüklenen zarar daire. ile belirtilen LiPON katmanında Yüksek zaman elektron ışını üreten LiPON elektrolit görünür değişiklikleri görüntüleme yaşamak. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

figure-results-8
Şekil 8 : Veri şarj Nanobattery. Fabrikasyon beyaz yalan nanobattery elektrokimyasal şarj profil farklı akım yoğunluğu (a) ile 12,5 µAh/cm2 ve gerilim bir 4,2 V kesme sınırlı (b) sınırlı kapasite. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

figure-results-9
Şekil 9 : Nanobattery Bisiklete binme profil. YALAN nanobattery elektrokimyasal şarj ve bir akım yoğunluğu 60 µA/cm2, kalkış profilleri fabrikasyon. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-10
Şekil 10 : Kısa devre nanobattery. (a) gerilim profili değil olmuştu bir nanobattery, düzgün olarak yeniden bırakılmış materyalin ve (b) çapraz kesit iyon-ışın görüntü kısa devre içinde kaynaklanan temizledim. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sonuçlarımız tarafından gösterildiği gibi açıklanan tekniği mamüllerinin active nanobatteries daha büyük bir ince film pil kaldırdı üretir. Bu tür teknikler nanobattery kutuplama galvanostatically tarafından gömülü arabirimleri ex situ ve in situ kök/yılan karakterizasyonu etkinleştirdiniz. Bu şarj elektrokimyasal durumunu bağlı kantitatif kimyasal olayların benzeri görülmemiş yüksek çözünürlüklü karakterizasyonu sağlar. Ancak, bu sonuçlar elde etmek için bir dizi belirli engellerin aşılması gereken.

FIB işleme başlamadan önce sürekli geçerli test nanobattery anot ve katot için bir düşük gürültü elektrik yol olması için yapılmalıdır. Katot tarafı test Bacalı FIB odası ile gerçekleştirilebilir. Nanobattery imalat için odası aşağı pompalama önce pozitif terminal deney (ya bir vakum feedthrough veya sahne alanı yoluyla) gerçekleştirme gibi bağlı olması ve eksi terminali doğrudan Sahne Alanı'na bağlı. Not dokunmatik alarm olarak bir sahne bağlantısı kullanıyorsanız, araç'ın dokunmatik alarm özelliği devre dışı olabilir ve hiçbir daha fazla sahne devirme gerekli olduğunda bağlantı sadece yapılmalıdır. Ancak, burada test sistem vakum altında olmasını gerektirir ve geçerli hem micromanipulator hem de sahne devre üzerinden geçecek. Micromanipulator elektrikle Pt ile sürekli geçerli gürültü testleri için bakır kılavuza yapıştırılır. Geçerli çözünürlük sorunları devam ederse, sistem yerden sahne decouple hakkında bilgi için satıcınıza başvurun.

Bu teknik işe katı-elektrolit LiPON zarar en aza indirmek için sağlanan iyon kiriş özellikleri kullanmak için önemlidir. LiPON (i) nemli atmosferik koşullar, (ii) elektron ışını ve (iii) iyon kirişler güneşe maruz son derece duyarlıdır. Bu nedenle katı hal nanobattery imalat işlemi bu koşullar her üç maruz indirilmesi gerekir. Atmosferik koşullar öncesi ve sonrası üretim maruz kesinlikle indirilmelidir. Situ FIB Bisiklete binme süreci tarif bu pozlandırmayı en aza indirmek için bir çözüm geliştirilmiştir. Sırasında ve sonrasında imalat, elektron ışını görüntüleme sınırlı, katı-elektrolit zarar gibi olmalıdır. Benzer şekilde, iyon demeti görüntüleme elektrolit ve diğer aktif bileşenleri de yıkımı önlemek için sınırlı olmalıdır. Kez ve belirli freze dosya ekipman malzemeleri/ekipman için belirli reaktifler, ekipman ve üreticiler tablosundaki özetlenen temel alır; Bu yalan enstrümanlar arasında değişiklik gösterebilir ve değişiklikler başka bir araç kullanırken gerekli olabilir.

Bir nanobattery yalan imalatı tüm parametrelerin kullanımı düşük ışın geçerli ve hasar14en aza indirmek için bekleme süresi en kritik konulardır. Gerektiğinde, düşsel iyon ışınlar, daha düşük ışın akım (genellikle pA) ve düşük Işınma Zamanı ve elektron düşük piksel yaşamak zamanlarda ile gerçekleştirilir (100 ns). Çoğu zaman, yüksek zaman elektron ışını üreten üzerindeki LiPON elektrolit görünür değişiklikleri görüntüleme yaşamak. Şekil 7 bir zarar görmemiş bir LiPON gösterir ve daha fazla bir elektron ışını ile görüntüleme hasar LiPON katmana Şekil 7bgösterildiği gibi indükler. Bu hasar geri dönüşü olmayan bir kontrast değişiklik sonucu olduğunu ve nanobattery mamüllerinin inaktif hale getirecek.

Ayrıca, elektrokimyasal Bisiklete binme için uygun katot geçerli Toplayıcı ve ızgara arasında elektriksel temas düzgün yapmak için özen göstermelidir (şekil 6b). Benzer şekilde anot (şekil 6); micromanipulator kişiye sağlamak önemlidir şekil 8bir, yaklaşık 150 içinde görüldüğü gibi s, ani bir artış elektrokimyasal veri karşılık gelen bir titreşim indüklenen iletişim sorunu ile anot. Potansiyel micromanipulator-anot ilgili kişinin istikrarsızlık için göz önüne alındığında, zaman test in situ sırayla şarj süresini azaltma nanobattery kapasite sınırlayarak küçültülür.

Gerilim profil ince ince tabaka batarya ile tutarlı değilse, büyük olasılıkla bazı yeniden ifade kısaltma sorunları (şekil 10) neden olduğu temizlik yordamı tekrarlanır. Anot yalıtım adım özellikle yeniden bırakılmış materyalin büyük bir kaynağıdır. Akım yoğunluğu buna göre düzeltilmesi gerektiğini bu yüzden temizlik bu yordamı nanobattery kesiti azalır. İyon demeti zarar yapamam tamamen kaçınılması ve en fazla 25 birkaç nm arasında sınırlı olduğu belirtilmektedir nm iyon saçılma simülasyonlar SRIM üzerinden hesaplanan olarak yüzey içine programı için 30 keV Ga+ elektrot malzemeleri18içine. Düşük enerji işleme hasar büyük ölçüde19azaltabilir. FIB süreci işte benzersiz ve imalat, işleme ve nanodevices situ test FIB-SEM çift kiriş sistemleri tarafından etkin gösterdi. Bu işlemi diğer pili kimyaları ve diğer Nano aygıtlara genişletmek mümkündür.

Bu protokol için sağlanan belirli parametreleri de alternatif elektrokimyasal sistemler için doğrudan aktarılmayabilir unutmamak gerekir. LiPON termal etkileri duyarlı iyon kiriş yüksek tarama oranları altında tespit edilmiştir. Ancak, diğer elektrolitler-ebilmek ıstırap çekmek--dan diğer hassasiyetleri. Benzer şekilde, her ne kadar iyi elektrokimya Ga+ iyon freze sonra gösterdi bu protokolü malzeme sistemi test, diğer malzemeler sistemleri iyon straggle ve implantasyon için daha duyarlı olabilir. Bu nedenle, daha fazla parametre uzay keşfi alternatif malzeme sistemler için gerekli olabilir. Bu alanda araştırma gelişmiş karakterizasyonu teknikleri ile büyük ölçüde keşfedilmemiş olsa katılaşarak gibi daha hassas malzemeler kötü iyon freze sonra gerçekleştirebilir. Gerçekçi olmak gerekirse, modern katı elektrolitler genellikle kristal ve daha LiPON daha güçlü olduğu gibi bu parametreler faiz, en malzeme sistemleri için çevirecektir. Bu potansiyel sınırlamaları rağmen alternatif interfacial olayları keşfetmek için potansiyel sunan, sonuçta empedans mekanizmaları ortaya çıkararak yeni malzeme sistemleri için teknik uygulanır. Bu teknik için doğal bir takip elektrokimyasal TEM içinde bisiklet gözlem olduğunu. Bu üzerinde gerçekleştirilen sistem bu protokol için açıklanan ve bu arabirimler, daha önce görülmemiş davranış ortaya çıkardı. Bu teknik empedans diğer formlarını gözlenmesi sağlayacaktır.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

İfşa etmek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

All-katı-hal piller gelişimi için destek fon yazarlar kabul ve in situ içinde yalan ve TEM tutucu geliştirme tarafından ABD Enerji Bakanlığı, Office temel Enerji Bilimler, küçük sayı DE-SC0002357 Ödülü. Ulusal Laboratuvarları ile işbirliği kuzeydoğu Merkezi kısmi destek için kimyasal enerji depolama, ABD Enerji Bakanlığı'nın, Office temel Enerji Bilimler Ödülü altında tarafından finanse edilen bir enerji sınır Araştırma Merkezi ile mümkün olmaktadır numarası DE-SC0001294. Bu araştırma merkezi kaynakları fonksiyonel Nanomalzemeler, bir ABD DOE Office, bilim tesisi, Sözleşme No altında Brookhaven Ulusal Laboratuvarı için kullanılan DE-SC0012704. Bu eser, San Diego nanoteknoloji altyapı (SDNI), üye Ulusal nanoteknoloji koordine Ulusal Bilim Vakfı (Grant ECCS-1542148) tarafından desteklenen altyapısı, kısmen gerçekleştirildi. FIB iş, UC Irvine malzemeleri Araştırma Enstitüsü (kısmen Ulusal Bilim Vakfı Merkezi kimya uzay-zaman sınırı (CHE-082913) tarafından finanse edilen araçları kullanarak IMRI), kısmen gerçekleştirildi. Nancy Dudney, Oak Ridge National Laboratory bizi ince film pil sağlamak için teşekkür ederiz. JL Bursları Eugene Cota-Robles desteklemek ve D.S SIRP, Hindistan Ramanujan Bursu (SB/S2/RJN-100/2014) için müteşekkir olduğunu kabul eder.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Biyolojik SP-200 PotansiyostatBiyolojik Bilim AletleriSP-200Ultra Düşük Akım  pA akım çözünürlüğü için gerekli seçenek
FEI Scios DualBeam FIB/SEMFEIAkım gürültüsü, korumalı bir aşama geçişi ile iyileşir
SEM saplaması: büyük ve oslash; 25,4 mm x 9,5 mm pim yüksekliğiTed Pella16144Veya eşdeğeri
PELCO Kolloidal Gümüş Macun, İletkenTed Pella, Inc.16032Veya eşdeğeri
PELCO®   FIB Lift-Out TEM IzgaralarıTed Pella10GC04Veya eşdeğeri

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Giannuzi, L. A., Stevie, F. A. Introduction to focused ion beams: Instrumentation, theory, techniques and practice. , Springer. New York. (2005).
  2. Mayer, J., Giannuzi, L. A., Kamino, T., Michael, J. TEM sample preparation and FIB-induced damage. MRS Bulletin. 32 (5), 400-407 (2007).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Kato, N. I. Reducing focused ion beam damage to transmission electron microscopy samples. J. Elect. Micro. 53 (5), 451-458 (2004).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Scahaffer, M., Schaffer, B., Ramasse, Q. Sample preparation for atomic-resolution STEM at low voltages by FIB. Ultramicroscopy. 114, 62-71 (2012).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Santhanagopalan, D., et al. Interface limited lithium transport in solid-state batteries. J. Phys. Chem. Lett. 5 (2), 298-303 (2014).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Ziegler, J. F. SRIM-2003. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 219, 1027-1036 (2004).
  19. 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).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Nanopil retimiift Demetli FIBLiPON Elektrolitnce Film PilElektrokimyasal D ng lemeGe irimli Elektron MikroskobuPlatin Biriktirme

İlgili makaleler