Bir odaklı iyon ışını kullanarak mamüllerinin active LiPON tabanlı katı hal lityum nanobatteries imalatı için bir protokol sunulmuştur.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |