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

Bu deneyin genel amacı, yerinde elektrokimyasal döngü için elektrokimyasal olarak aktif, tamamı katı hal, ince film nanopilleri hazırlamak için çift ışın odaklı bir iyon ışını sistemi kullanmaktır. Bu yöntem, katı hal elektrokimyası alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir ve döngü sırasında termodinamik ve elektrokimyasal kararlılıkları da dahil olmak üzere gömülü katı-katı arayüzlerin doğasını ortaya çıkarabilir. Bu yerinde tekniğin ana avantajı, nanopilin hiçbir zaman dış etkenlere maruz kalmaması ve katı hal pilin çalışmasını sınırlayan dinamik süreçlerin engelsiz bir görünümüne izin vermesidir.

Tarascon grubunun ilk ince film pil kesitini hazırlaması, daha da ileri gitmemiz ve yerinde karakterizasyonu mümkün kılan elektrokimyasal olarak aktif bir nanopil üretmemiz için bize ilham verdi. Deney için bir örnek hazırlayarak başlayın. Bu, protokol için kullanılan ince film pile bir örnektir.

Pilin aktif katmanları, alüminli bir alt tabaka üzerinde iki milimetre çapında bir bölgededir. Yapısının detayları bu şemada verilmiştir. Substrat alüminyum oksittir.

Bunun üzerinde, bir platin katot akım toplayıcı ve ardından bir lityum kobalt oksit katot bulunur. Daha sonra, bir lityum fosfor oksinitrür elektrolit, bir amorf silikon anot ve bir bakır anot akım toplayıcı vardır. Deney, çift taramalı elektron mikroskobu ve odaklanmış iyon ışını aleti gerektirir.

Bir mikromanipülatör ile donatılmalıdır. Gerekli olan başka bir cihaz, düşük akımlı bir potansiyostattır. Potansiyostatın katot ucunu blendajlı bir elektrik beslemesi ile sahneye bağlayın.

Dahili olarak, geçişi s'ye bağlayıntage, ucu açıkta olan blendajlı bir tel ile. Geçiş çemberinin düşük akım gürültü testini gerçekleştirmek için potansiyostatı sabit akım modunda kullanın. Verileri gözden geçirirken, mevcut çözünürlük, bu örnekte olduğu gibi bir pikoamptan daha az olmalıdır.

Şimdi potansiyostatın anot ucunu mikromanipülatör topraklama kablosuna bağlayın. İşte protokolün bu noktasındaki elektrik bağlantıları. Not: örnek henüz monte edilmemiştir.

Odaya bir bakır TEM kaldırma ızgarası yerleştirin. Izgara iletken olmalı ve nanopili monte etmek için parmaklara sahip olmalıdır. İlk monte edildiğinde, ızgaranın parmakları elektron ışınına paralel olmalıdır.

Bu kurulumda elektron ve iyon ışını arasında 52 derecelik bir açı vardır. 25 milimetrelik taramalı elektron mikroskobu saplamasına çift taraflı karbon bant uygulayın ve ardından pili alüminyum tarafı aşağı bakacak şekilde bandın üzerine monte edin. Akım toplayıcıyı saplamaya elektriksel olarak bağlamak için iletken bant uygulayın.

Bu noktada, pilli saplamayı çift kiriş kurulumuna monte edin. İşte haznedeki saplama ve pil, deney için hazır. Devam etmek için sistemi aşağı pompalamaya başlayın.

Hazır olduğunuzda elektron ve iyon ışınlarını açın. Yüklendiğinde, pilin akım toplayıcısı elektron ışını yönüne normaldir. Numuneyi, iyon ışını pilin akım toplayıcısına normal olacak şekilde eğin.

Deney süresince iyon ışını voltajını ve iyon ışını pikselinin bekleme süresini ayarlayın. Geçerli toplayıcı ile başlayın. İki mikrometre bölgesine göre 20 mikrometre seçin.

Ardından, 1,5 ila iki mikrometre organometalik platin biriktirmek için odaklanmış iyon ışınını kullanın. Ardından, platin yatağının etrafındaki ince film pil yığını ile çalışın. Aktif film tabakasının bir mikrometre altında derinliğe sahip bir dikdörtgeni frezelemeye hazırlanın.

Frezelemek için kademeli bir kesit odaklı iyon kirişi frezeleme seçeneği kullanın. Nanopili tanımlamak için platin yatağının diğer tarafında simetrik bir bölge frezeleyin. Ardından, katmanlı yapıyı net bir şekilde ortaya çıkarmak için her iki bölgede de kesitsel bir temizleme prosedürü kullanın.

Şimdi, akım toplayıcısı elektron ışınına bakacak şekilde pili geriye doğru eğin. Nanopilin yan tarafı artık iyon ışını tarafından erişilebilir durumdadır. Nanopilin çoğunu izole etmek için paralel J kesimlerinde oluşturulan dikdörtgen alt kesimler kullanın.

Ardından, pilin arkasını ortaya çıkarmak için pili 180 derece döndürün. Nanopilin altını ve yanlarını izole etmek için alt kesimler için frezeleme adımlarını tekrarlayın. Sonraki adımlar için örneği tekrar 180 derece döndürün.

Bu noktada, mikromanipülatör setini park konumuna yerleştirin. Mikromanipülatörü yavaşça nanopil üzerindeki platine doğru hareket ettirin ve temas ettirin. Mikromanipülatörü pilin platin bölgesine sabitlemeye hazırlanın.

İkisini sabitlemek için platin biriktirmek için iyon ışınını kullanın. Mikromanipülatör takıldıktan sonra, nanopili numuneden çıkarmak için çalışın. Frezeleme için nanopilin en son bağlanan kısmını belirleyin.

Bu bölgeyi numuneden ayırmak için iyon değirmeni yapın. Nanopili mikromanipülatör ile dikey olarak kaldırın. Nanopili bakır kaldırma ızgarasına taşıyın.

Nanopili kaldırma ızgarası ile temas edecek şekilde yerleştirin ve oraya monte etmeye hazırlanın. Yerine sabitlemek için iki mikrometre platin biriktirmek için iyon ışınını kullanın. Bu, kaldırma ızgarasındaki nanopilin farklı bir görünümüdür.

Ardından, mikromanipülatörü ayırmak için çalışın. Onunla nanopil arasındaki bağlantıyı frezelemek için düzenleyin. İyon, mikromanipülatör ve nanopil arasındaki bağlantıyı ortadan kaldırır.

Bakır ızgaraya bağlı monte edilmiş bir nanopil bırakmak için mikromanipülatörü hareket ettirin. Sonraki adımlar için, iyon ışını nanopil kesitine paralel olacak şekilde sahneyi eğin. Nanopilin monte edilmiş kenarına yakın bir yerde, beş mikrometre genişliğinde bir bölüm üzerinde bir temizleme prosedürü kullanın.

Temizleme prosedürü, elektrokimyasal olarak aktif katmanların net bir görünümünü ortaya çıkarmaktır. Ardından, katot akım toplayıcı ile bakır ızgara arasında elektrik teması oluşturmaya hazırlanın. Odaklanmış bir iyon ışınıyla, ikisini birbirine bağlamak için 500 nanometre kalınlığında platin biriktirin.

Bu görüntüler, biriktirme adımının etkisini farklı bir açıdan gösterir. İşte biriktirmeden önceki nanopil. Platin, bu görüntüde biriktirme işleminden sonra belirgindir.

Anotun, anot akım toplayıcısının ve elektrolitin üç mikrometre genişliğinde bir segmentini çıkarmak için iyon ışınını kullanmaya hazırlanın. Segmentin çıkarılması, bu elemanları bakır ızgaradan izole eder. Bu, bu adımdan sonra nanopilin alternatif bir görünümüdür.

Elektrik teması yapmadan önce anot ve anot akım kollektörünü izole etmek, protokolde açıklanan en önemli adımdır. Uygun bağlantı ve izolasyon olmadan nanopil kısa devre yapacak ve döngü yapmayacaktır. Ardından, yeniden biriken malzemeyi çıkarmak için nanopilin yanlarına dikkatlice dikdörtgen temizleme kesitleri uygulamak için iyon ışınını kullanmak için sahneyi eğin.

Temizledikten sonra, tek tek katmanlar belirgin bir şekilde görülebilir. Mikromanipülatörü devreye sokun ve anot toplayıcının üzerindeki platin ile temas ettirin. Mikromanipülatörü ve akım toplayıcıyı bağlamak için iyon ışını ile 0,2 nanometre kalınlığında platin biriktirin.

Şimdi, potansiyostat kontrollerinde, mevcut parametreleri ayarlayın ve yerinde döngü gerçekleştirmek için potansiyostatı galvanostatik döngü modunda çalıştırın. Bu eğri, santimetre kare başına 50 mikroamper akım yoğunluğuna sahip odaklanmış iyon ışını ile üretilmiş bir nanopilin elektrokimyasal yük profilini temsil eder ve santimetre kare başına 12.5 mikroamper saat kapasite gösterir. Santimetre kare başına 1.25 miliamper daha yüksek akım yoğunluğuna sahip farklı bir eğri, santimetre kare başına 105 mikroamper saatlik bir kapasite ile sonuçlanır.

Her iki eğri de 3.6 voltluk bir plato göstermektedir. İşte santimetre kare başına 60 mikroamperlik bir akım yoğunluğu için nanopil şarj ve deşarj profilleri. Şarj kapasitesi 30 dakika ile sınırlıydı.

Deşarj kapasitesi iki volt ile sınırlıydı. Bu, yaklaşık% 35'lik bir geri dönüşümlülük gösterir. Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik düzgün bir şekilde yapılırsa üç saat içinde yapılabilir, ancak döngü uzunluğunun istenildiği kadar uzayabileceğini unutmayın. Bu prosedürü denerken, cihaza zarar verebileceğinden, E-ışını veya iyon ışını ile gereksiz görüntülemeden kaçınmayı unutmamak önemlidir.

Elektrokimyasal olarak aktif bir nanopilin üretimini gösterdikten sonra, benzer nanopiller, döngü sırasında arayüzlerin daha kapsamlı analizi için yerinde bir TEM döngü tutucusuna aktarılabilir. Bu videoyu izledikten sonra, ince bir film pilin bir kesitinin nasıl çıkarılacağını ve çift ışınlı bir FIB içinde elektrokimyasal olarak aktif bir nanopilin nasıl üretileceğini iyi anlamış olmalısınız.