electrochemically सक्रिय LiPON के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल-आधारित ठोस राज्य लिथियम आयन nanobatteries एक केंद्रित आयन बीम का उपयोग प्रस्तुत किया है ।
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 ।
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 ।
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 8एमें 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.
The authors have nothing to disclose.
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) ।
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FEI Scios DualBeam FIB/SEM | FEI | Current noise improves with a shielded stage feedthrough | |
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PELCO® FIB Lift-Out TEM Grids | Ted Pella | 10GC04 | Or equivalent |