Name: focused ion beam fabrication of lipon-based solid-state lithium-ion nanobatteries for in situ testing
Uploaded: 2018-03-07T12:30:00
Duration: 10 min 58 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing at JoVE.com

Forfatterne anerkender finansiering støtte til udvikling af all-gedigen-påstå batterier og i situ FIB og TEM indehaveren udvikling af US Department of Energy, Office of grundlæggende energi Sciences, under tildeling af antal DE-SC0002357. Samarbejde med nationale laboratorier er gjort muligt med delvis støtte fra den nordøstlige centrum for kemisk energilagring, en energi grænse Forskningscenter finansieret af det amerikanske Department of Energy, Office of grundlæggende energi Sciences under tildeling antal DE-SC0001294. Denne forskning anvendes ressourcer af Center for funktionelle nanomaterialer, som er videnskaben facilitet en amerikanske DOE Office, ved Brookhaven National Laboratory under Kontraktnr. DE-SC0012704. Dette arbejde var delvis udføres på San Diego nanoteknologi infrastruktur (SDNI), et medlem af den nationale nanoteknologi koordineret infrastruktur, som støttes af National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). FIB arbejde blev udført delvist på den UC Irvine materialer Research Institute (IMRI), ved hjælp af instrumentation delvis finansieret af National Science Foundation Center for kemi på rumtiden grænse (CHE-082913). Vi takke Nancy Dudney, Oak Ridge National Laboratory for at give os de tynde film batterier. J.L. anerkender støtte fra Eugene Cota-Robles Fellowship Program og Vibeke er taknemmelig til serbiske, Indien for Ramanujan Fellowship (SB/S2/RJN-100/2014).

1. forberedelse af prøven og System
<ol><li>Opnå en komplet tyndfilm batteri bestående af en Al2O3 substrat (500 µm tykt), en guld katode nuværende collector (100-150 nm tykke, DC spruttede), en LiCoO2 katode (2 µm tykt, RF spruttede), en LiPON elektrolyt (1 µm tykt, RF spruttede), en amorf silicon anoden (80 nm tykke, RF spruttede), og en Cu anode nuværende collector (100 nm, DC spruttede)16,17.</li>
	<li>Montere en komplet tyndfilm batteri på en diameter på 25 mm aluminium SEM stub, og bruge en kobber tape tilsluttes katode nuværende collector elektrisk til SEM stub for at minimere opladning effekter.</li>
	<li>Inden pumpe ned i salen, at bekræfte en støjsvag elektriske vej findes til gitteret kobber, som nanobattery vil blive monteret på og vil tjene som den ledende vej til katoden (figur 1).<ol>
<li>Slut katode på scenen gennem en afskærmet elektriske feedthrough, som er til stede i systemer udstyret for elektronstråle induceret nuværende (EBIC) målinger med disse forbindelsestyper. Internt, Tilslut feedthrough scenen med en afskærmet ledning med en udsatte spids; metoden for at sikre udsatte wire tip vil afhænge af fase prøvetype, og her, det er holdt på plads af en ubrugt fase sætskruen.</li>
		<li>Alternativt, og afhængigt af konfigurationen af jordforbindelse kredsløb af instrumentets fase, slut katode bly af potentiostat fase jorden ved hjælp af et BNC-kablet, som vist i figur 1.</li>
		<li>Udføre den lav-aktuelle støj test ved hjælp af potentiostat i konstant aktuelle tilstand. Anvende den nuværende, med hvilken i situ cykling er der skal udføres, og observere nøjagtighed og præcision af den målte aktuelle. Bemærk: Ved hjælp af den konfiguration, der er beskrevet i 1.3.1, blev en målt strøm på 1 pA ± 0,1 pA opnået.</li>
	</ol>
</li>
	<li>På samme måde oprette en ledende vej fra micromanipulator spids til ydersiden af sonden ved at forbinde anode føringen i potentiostat at micromanipulator jorden ved hjælp af et BNC-kablet eller en alligator klip som vist i figur 1.<ol>
<li>Som i trin 1.3.3, udføre den lav-aktuelle støj test ved hjælp af potentiostat i konstant aktuelle tilstand. Bemærk: Ved hjælp af de forbindelser, der er beskrevet i trin 1.4, var den mindste stabile aktuelle opnåede 10 pA ± 1 pA, på grund af uafskærmede grunde forbundet til micromanipulator.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. lift-out af Nanobattery
<ol><li>Læg prøven i SEM/FIB kammer og pumpe til systemet angivne højt vakuum (≤10-5 mbar) før du tænder elektronen stråle og ion stråle billeddannelse.</li>
	<li>Fokusere elektronstrålen på tynd film batteri overfladen og bestemme eucentric højde ved hjælp af standard SEM/FIB procedurer1.</li>
	<li>Vippe prøven, således at ion strålen er normalt at batteriet overflade (her 52° prøve vippe), og indbetale en 1,5 til 2 µm tykt lag af FIB-deponeret metalorganiske platin på den øverste nuværende samler af tynd-film batteriet en ion beam strøm af omkring 0,3 nA en d dvæle tid af 200 ns over et areal på 25 x 2 µm (figur 2).</li>
	<li>Sat ion beam spænding til 30 kV og ion beam hviletid til 100 ns for resten af den forsøgsplan.</li>
	<li>Bruge en trin-mønster tværsnits FIB fræsning indstilling, som omhandlet i FIB softwaren, til at afsløre nanobattery stakken omkring Pt-indbetaling, TEM lamel forberedelse1. Vælg en fræsning nuværende ≤2.8 nA. Input mill dybde strækker sig mindst 1 µm under aktiv tyndfilm batteri (Z = 5 µm i dette tilfælde), en tværsnits bredde (X) af 25 µm og en cross Sektional højde (Y) 1,5 x Z (her, Y = 7,5 µm). Bagefter, batteri tværsnit er eksponeret for ses i SEM (her, elektronstrålen er 52° fra overfladen normal) som i figur 3. Bemærk: Den faktiske sleben dybde er tynd film batteriet afhængige.</li>
	<li>Du kan bruge et tværsnit rengøring procedure, forudsat i FIB software, hvor ion stråle trinvist rastere tættere på overfladen, renses, med en ion beam nuværende ≤0.3 nA at rense ud igen deponeret materiale og klart udsætter den lagdelte struktur ( Figur 3).</li>
	<li>Udføre en række rektangel under nedskæringer (også kaldet J-nedskæringer eller U-nedskæringer) på et tidspunkt tilt på 0 ° og fjernlys nuværende ≤2.8 nA at isolere fleste af nanobattery2. Under nedskæringer bestående af i) en lavere rektangel 0,5 x 25 µm nedenfor Au nuværende samler op på Al2O3 substrat, ii) en lodret rektangel 0,5 µm bred (X) og gennem hele nanobattery tykkelse (Y) og iii) et lodret rektangel 0,5 µm bred (X) og med en højde mindre end nanobattery tykkelse (Y - 2,5 µm) omkring den Pt-belagte nanobattery som i figur 4en. Disse tre under nedskæringer skal udføres i parallelle tilstand (samtidig sleben), for at forhindre re aflejring af materiale inden for regionerne under cut.</li>
	<li>Rotere prøve 180° og udføre den samme vandrette underbyde som i trin 2,5. Dette isolerer bunden og siderne af nanobattery med undtagelse af de resterende tilsluttede region.</li>
	<li>Rotere prøve 180°. Indsæt micromanipulator til park placeringen angivet i control-software, så langsomt bringe det i kontakt med nanobattery ved hjælp af x-y-z bevægelse af softwaren.</li>
	<li>Lave micromanipulator til regionen Pt oven på nanobattery af ion-beam deponering 0,5 µm tykt Pt ved hjælp af en 30 keV ion strålen med en strøm af 10 pA over et areal på 2 x 1 µm.</li>
	<li>Ion mill de resterende forbundet del af nanobattery med en stråle nuværende omkring 1 nA, og hæve nanobattery lodret med micromanipulator (fig. 4b).</li>
	<li>Mount nanobattery på en Cu FIB lift-out gitter med 2 µm tykt ion-beam deponeret Pt ved hjælp af en 30 keV ion strålen med en strøm på 0,28 nA over et areal på 10 x 5 µm.</li>
	<li>Ion mill væk forbindelsen mellem micromanipulator og nanobattery ved hjælp af en 30 keV ion strålen med en strøm på 0,28 nA over et areal på 1 x 1 µm til en dybde af 2 µm, forlader en fritstående sektion knyttet til Cu gitter (figur 5)1. Bemærk: Cu lift-out gitteret indeholder en flad base for montering til nanobattery såvel som tjener som en ledende vej mellem scenen og nanobattery.</li>
</ol>3. rengøring og cykling i Nanobattery
<ol><li>Vippe prøven, således at ion strålen er normalt at batteriet overflade og bruge en tværsnits rengøring procedure (Se trin 2.4) at fjerne re deponerede materiale over en 5 µm bredt udsnit af nanobattery i nærheden af Cu gitteret, fører til et klart billede af de enkelte lag af nanobattery (figur 6en). Bemærk: Re deponerede materiale fra foregående fræsning trin skal fjernes fra den gitter monterede nanobattery at udsætte den elektrokemisk aktive kerne af nanobattery og forhindre kortslutning.</li>
	<li>Depositum 500 nm tykke FIB-Pt ved hjælp af en 30 keV stråle med en strøm på 0,1 nA over et areal på 1 x 2 µm til at skabe en elektrisk kontakt mellem katoden nuværende collector og gitteret metallisk, som er elektrisk tilsluttet fase (fig. 6b).</li>
	<li>Vippe prøven til 0° og ved hjælp af en ion stråle aktuelle 1 na, gøre et rektangulært klip 3 µm bredt og dybt nok (Z ~ 2 µm) hen til helt ophæve anode nuværende collector og elektrolyt, isolere anode fra gitteret Cu (figur 6c).</li>
	<li>Bruge tværsnit rengøring procedure (Se trin 2.4) med en ion stråle nuværende omkring 0,1 nA at fjerne det igen deponerede materiale omkring alle sider af nanobattery tværsnit, indtil alle de enkelte lag er tydeligt synlige, som vist i figur 6 d.</li>
	<li>Indsæt micromanipulator til positionen park, og ved hjælp af control software, bringe micromanipulator i kontakt med Pt over anoden nuværende collector. Ion beam depositum 0,2 µm tykt Pt ved hjælp af en 30 keV ion strålen med en strøm af 10 pA over et areal på 2 x 1 µm at "svejse" forbinde micromanipulator og nuværende collector ( figur 6d)1.</li>
	<li>Opstille potentiostat i galvanostatic cykling tilstand. Nuværende parametre anvendes afhænger af den ultimative tværsnitsareal af fabrikerede nanobattery og ønskede C-sats, men vil generelt være om et par nA. Vi Marker gebyr og udledning strømme, således at strømtæthed er på rækkefølgen af snesevis af µA/cm2. For LiCoO2-baseret tyndfilm batterier, spændingsområde er 2.0 og 4,2 V.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Giannuzi, L. A., Stevie, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Introduction to focused ion beams: Instrumentation, theory, techniques and practice. , (2005).</li><li>Mayer, J., Giannuzi, L. A., Kamino, T., Michael, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TEM+sample+preparation+and+FIB-induced+damage.">TEM sample preparation and FIB-induced damage.</a> MRS Bulletin. 32 (5), 400-407 (2007).</li><li>Pellerin, J. G., Griffis, D. P., Russeli, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focused+ion+beam+machining+of+Si,+GaAs+and+InP.">Focused ion beam machining of Si, GaAs and InP.</a> J. Vac. Sci. Technol. B. 8, 1945-1950 (1990).</li><li>Rubanov, S., Munroe, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+the+structure+of+damage+layers+in+TEM+samples+prepared+using+a+focused+ion+beam.">Investigation of the structure of damage layers in TEM samples prepared using a focused ion beam.</a> J. Mater. Sci. Lett. 20 (13), 1181-1183 (2001).</li><li>Lugstein, A., Basnar, B., Bertagnolli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+focused+ion+beam+response+of+GaAs+in+the+nanoscale+regime.">Study of focused ion beam response of GaAs in the nanoscale regime.</a> J. Vac. Sci. Technol. B. 20, 2238-2242 (2002).</li><li>Kato, N. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+focused+ion+beam+damage+to+transmission+electron+microscopy+samples.">Reducing focused ion beam damage to transmission electron microscopy samples.</a> J. Elect. Micro. 53 (5), 451-458 (2004).</li><li>Bals, S., Tirry, W., Geurts, R., Yang, Z., Schryvers, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+quality+sample+preparation+by+low+kV+FIB+thinning+for+analytical+TEM+measurements.">High quality sample preparation by low kV FIB thinning for analytical TEM measurements.</a> Microsc. Microanal. 13 (2), 80-86 (2007).</li><li>Miyajima, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> J. Elect. Microsc. 238 (3), 200-209 (2010).</li><li>Scahaffer, M., Schaffer, B., Ramasse, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sample+preparation+for+atomic-resolution+STEM+at+low+voltages+by+FIB.">Sample preparation for atomic-resolution STEM at low voltages by FIB.</a> Ultramicroscopy. 114, 62-71 (2012).</li><li>Wang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+cathode+electrolyte+interfacial+(CEI)+layer+on+long+term+cycling+of+all-solid-state+thin-film+batteries.">Effects of cathode electrolyte interfacial (CEI) layer on long term cycling of all-solid-state thin-film batteries.</a> J. Power Sources. 324, 349-357 (2016).</li><li>Bates, J. B., Dudney, N. J., Gruzalski, G. R., Zuhr, R. A., Choudhury, A., Luck, C. F., Robertson, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+characterization+of+amorphous+lithium+electrolyte+thin+films+and+rechargeable+thin-film+batteries.">Fabrication and characterization of amorphous lithium electrolyte thin films and rechargeable thin-film batteries.</a> J. Power Sources. 43, 103-110 (1993).</li><li>Brazier, A., Dupont, L., Dantras-Laffont, L., Kuwata, N., Kawamua, J., Tarascon, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=First+cross-section+observation+of+an+all-solid-state+lithium+ion+"nanobattery"+by+transmission+electron+microscopy.">First cross-section observation of an all-solid-state lithium ion "nanobattery" by transmission electron microscopy.</a> Chem. Mater. 20 (6), 2352-2359 (2008).</li><li>Yamamoto, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+visualization+of+the+electric+potential+in+an+all-solid-state+rechargeable+lithium+battery.">Dynamic visualization of the electric potential in an all-solid-state rechargeable lithium battery.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49 (26), 4414-4417 (2010).</li><li>Santhanagopalan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interface+limited+lithium+transport+in+solid-state+batteries.">Interface limited lithium transport in solid-state batteries.</a> J. Phys. Chem. Lett. 5 (2), 298-303 (2014).</li><li>Wang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+STEM-EELS+observation+of+nanoscale+interfacial+phenomena+in+all-solid-state+batteries.">In situ STEM-EELS observation of nanoscale interfacial phenomena in all-solid-state batteries.</a> Nano Lett. 16 (6), 3760-3767 (2016).</li><li>Jang, Y. -. I., Dudney, N., Blom, D. A., Allard, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-voltage+cycling+behavior+of+thin-film+LiCoO2+cathodes.">High-voltage cycling behavior of thin-film LiCoO2 cathodes.</a> J. Electrochem. Soc. 149 (11), 1442-1447 (2002).</li><li>Neudecker, B. J., Zuhr, R. A., Bates, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lithium+silicon+tin+oxynitride+(LiySiTON):+high-performance+anode+in+thin-film+lithium+ion+batteries+for+microelectronics.">Lithium silicon tin oxynitride (LiySiTON): high-performance anode in thin-film lithium ion batteries for microelectronics.</a> J. Power Source. 81, 27-32 (1999).</li><li>Ziegler, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SRIM-2003.">SRIM-2003.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 219, 1027-1036 (2004).</li><li>Bals, S., Tirry, W., Geurts, R., Yang, Z., Schryvers, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+quality+sample+preparation+by+low+kV+FIB+thinning+for+analytical+TEM+measurements.">High quality sample preparation by low kV FIB thinning for analytical TEM measurements.</a> Microsc. Microanal. 13 (2), 80-86 (2007).</li></ol>

Vi har intet at videregive.

Som det fremgår af vores resultater, producerer den teknik beskrevet elektrokemisk aktive nanobatteries løftes ud fra et større batteri, tynd-film. Sådanne teknikker har aktiveret både ex situ og i situ STILK/ål karakterisering af grænsefladerne begravet af galvanostatically påvirke nanobattery. Dette giver mulighed for hidtil uset høj opløsning karakterisering af kvantitative kemiske fænomener knyttet til den elektrokemiske staten vederlagsfrit. Men for at opnå disse resultater, en række specifikke hindringer skal overvindes.
Før du begynder FIB forarbejdning, bør konstant aktuelle prøvning gennemføres for at sikre, at der er en støjsvag elektriske vej til katode- og anode af nanobattery. Katode-side test kan udføres med FIB kammer udluftet. Før pumpning ned kammer for nanobattery fabrikation, pluspolen skal tilsluttes som hvis udfører eksperimentet (enten gennem en vakuum feedthrough eller fase jorden), og den negative terminal forbundet direkte til fase. Bemærk at hvis du bruger touch alarm som en fase forbindelse, indslag alarm evne af instrumentet kan være deaktiveret, og forbindelsen bør kun foretages, når ingen yderligere hældning af fase er nødvendigt. Men her testen vil kræve at systemet skal under vakuum, og nuværende vil passere gennem både micromanipulator og den fase kredsløb. Micromanipulator kan overholdes elektrisk med Pt til kobber nettet for konstant nuværende støj test. Hvis nuværende opløsning problemer fortsætter, skal du kontakte forhandleren for oplysninger om, hvordan at afkoble scenen fra system Jorden.
Denne teknik til at arbejde, er det kritisk at bruge de medfølgende ion beam specifikationer for at minimere skader på solid-elektrolyt LiPON. LiPON er meget følsomme over for langvarig udsættelse for a fugtigt atmosfæriske forhold, (ii) elektronstrålen og (iii) ion bjælker. Derfor kræver solid-state nanobattery fabrikationsproces minimering af eksponering for alle tre af disse betingelser. Før og efter fabrikation eksponering for atmosfæriske forhold bør minimeres absolut. I situ FIB cykling processen beskrevet blev udviklet som en løsning til at minimere denne eksponering. Under og efter fremstilling, elektronstråle imaging bør begrænses, da det skader solid-elektrolyt. På samme måde, ion beam imaging bør også være begrænset til at undgå nedbrydning af elektrolytten og andre aktive komponenter samt. De specifikke fræsning filer og gange er baseret på det udstyr, der er skitseret i tabel i materialer/udstyr til specifikke reagenser, udstyr og producenter; Dette kan variere mellem FIB instrumenter, og ændringer kan være påkrævet, når du bruger et andet instrument.
Alle parametre i FIB fabrikation af en nanobattery er de mest kritiske overvejelser brugen af nærlys aktuelle og hviletiden at minimere skader14. Når det kræves, imaging er udført med elektroner på lav pixel prøvens og ion bjælker på lavere beam strøm (normalt i pA) og lav hviletid (100 ns). Det meste af tiden, høj dvæle tid elektronstråle imaging producerer synlige ændringer på LiPON elektrolyt. Figur 7 en viser en ubeskadiget LiPON og yderligere imaging med en elektronstråle inducerer skade på LiPON lag, som vist i figur 7b. Denne skade er irreversibel resulterer i en ændring af kontrast og vil gøre nanobattery elektrokemisk inaktive.
Yderligere, for elektrokemisk cykling, ordentlig pleje skal tages for at elektrisk kontakt mellem katoden nuværende collector og gitteret ordentligt (fig. 6b). Det er ligeledes vigtigt at fastholde micromanipulator kontakten til anoden (figur 6); som det ses i figur 8en, på omkring 150 s, en stigning i den elektrokemiske data svarer til en vibration induceret kontakt problem med anoden. Da potentialet for ustabilitet i micromanipulator-anoden kontakt, er den i situ test tid minimeret ved at begrænse nanobattery kapacitet, til gengæld reducerer opladningstiden.
Hvis profilen spænding ikke er i overensstemmelse med tynd film batteri, gentages rengøring proceduren som der er sandsynligvis nogle re deposition forårsager kortslutning spørgsmål (figur 10). Anode isolation skridt er især en stor kilde til re deponerede materiale. Denne rengoeringen nedsætter nanobattery tværsnit, så strømtæthed bør korrigeres i overensstemmelse hermed. Det bemærkes, at ion beam skader ikke kan undgås fuldstændigt, og det er begrænset til mellem et par nm til et maksimum på 25 nm ind i overfladen, som beregnes fra ion spredning simuleringer SRIM program for 30 keV Ga+ i elektrode materialer18. Lavenergi behandling kan reducere skader på et stort omfang19. FIB processen viste her er unikke, og fabrikation, manipulation, og i situ afprøvning af nanodevices er aktiveret af FIB-SEM dobbelt stråle systemer. Det er muligt at udvide oparbejde hen til hvilken som helst anden batteri kemi og andre nanoskala enheder.
Det er vigtigt at bemærke, at de specifikke parametre i denne protokol direkte ikke kan overføre godt til alternative elektrokemiske systemer. LiPON var fast besluttet på at være følsomme over for termiske virkninger fra ion stråle under høj scanning priser. Men andre elektrolytter kan lide af andre følsomheder. Ligeledes, selv om det materielle systemet testet i denne protokol, viste god elektrokemi efter Ga+ ion fræsning, andre materialer systemer kan være mere modtagelige for ion uregelmæssigt og implantation. Som sådan, kan mere udforskning af parameter pladsen være påkrævet for alternative materielle systemer. Mere følsomme materialer såsom sulfider kan udføre dårligt efter ion fræsning, selvom denne forskning er stort set uudforskede med avancerede karakterisering teknikker. Realistisk set, vil disse parametre oversætte til mest materiale systemer af interesse, som moderne solid elektrolytter er generelt krystallinsk og mere robust end LiPON. Trods disse potentielle begrænsninger, vil teknikken anvendes på nye materiale systemer, tilbyder mulighed for at opdage alternative interfacial fænomener, i sidste ende afdække impedans mekanismer. En naturlig opfølgning på denne teknik er observationen af elektrokemiske cykling i TEM. Dette er udført på systemet beskrevet i denne protokol, og afdækket hidtil usete adfærd på disse grænseflader. Denne teknik gør det muligt observationer af alternative former for impedans.

Fokuseret ion bjælker (FIB) har været anvendt hovedsageligt for transmissions Elektron Mikroskopi (TEM) prøvepræparation og kredsløb redigering1,2. Nanofabrication ved hjælp af FIB har udviklet sig betydeligt i løbet af de sidste to årtier med meget fokus på halvleder materialer3. Trods dens betydning for videnskabelige fremskridt fortsat stor bekymring med FIB teknikker herunder overfladeskader, re deposition og privilegerede sputtering på grund af høj strømtæthed4,5. Der har været flere artikler på FIB skadelige bulk materialer i præparation af TEM prøver og flere metoder til at reducere skaderne har været foreslået6,7,8,9. Men FIB fabrikation af aktive enheder, der består af flere lag med forskellige funktioner er stadig begrænset.
Solid-state enheder, især inden for energilagring, grænseflader spille en afgørende rolle og solid-solid interface ses oftest som en dominerende kilde af impedans10. Disse grænseflader er særligt vanskeligt at karakterisere, på grund af en kombination af deres begravet natur og data foldning i overværelse af flere grænseflader i en enkelt enhed. Fabrikation af fuldt solid-state nanobatteries er kritisk for at undersøge og forstå den dynamiske karakter af disse grænseflader, som i sidste ende påvirker de elektrokemiske processer i batterier. Tyndfilm batterier baseret på lithium fosfor oxynitride (LiPON) var vist mere end to årtier siden og er i øjeblikket kommercialiseret11. Selvom FIB fabrikation af elektrokemisk aktive nanobatteries fra en tynd film batteri er kritisk for at aktivere i situ evaluering af grænseflader, de fleste forsøg på at fabrikere nanobatteries ved hjælp af FIB fail for at bevare elektrokemiske aktivitet grund kortslutning12. Indledende forsøg på in situ cykling tyndet kun en lille del af nanobattery, at observere lithium distribution af elektron holografi13.
Nyere arbejde har udvist de succesfulde FIB fabrikation af elektrokemisk aktive nanobatteries, som aktiveret både ex situ og i situ scanning transmissions elektronmikroskopi (STEM) og elektron energi tab spektroskopi ( ÅL) karakterisering af interfacial fænomen14,15. Vigtige FIB fabrikation parametre, der bidrager til at bevare elektrokemiske aktivitet er blevet angivet af Mogenss et al. 14, og en detaljeret protokol er præsenteret i dette håndskrift. Denne procedure er baseret på en model LiCoO2/LiPON/a-Si batteri, men vil i sidste ende aktiverer udforskning af yderligere tyndfilm batteri kemi.

<table style="border-collapse:collapse;width:548pt" width="731">
	<colgroup>
		<col style="width:206pt" width="275" />
		<col style="width:128pt" width="170" />
		<col style="width:89pt" width="119" />
		<col style="width:125pt" width="167" />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="29" style="height:21.75pt">
			<td class="xl63" height="29" style="width:206pt;height:21.75pt" width="275">Biologic SP-200 Potentiostat</td>
			<td class="xl63" style="width:128pt" width="170">Biologic Science Instruments</td>
			<td class="xl63" style="width:89pt" width="119">SP-200</td>
			<td class="xl66" style="width:125pt" width="167">Ultra Low Current&#160; Option needed for pA current resolution</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:206pt;height:15.75pt" width="275">FEI Scios DualBeam FIB/SEM</td>
			<td class="xl63" style="width:128pt" width="170">FEI</td>
			<td class="xl63" style="width:89pt" width="119"></td>
			<td class="xl66">Current noise improves with a shielded stage feedthrough</td>
		</tr>
		<tr height="42" style="height:31.5pt">
			<td class="xl63" height="42" style="width:206pt;height:31.5pt" width="275">SEM Stub: Large &#216;25.4mm x 9.5mm pin height</td>
			<td class="xl63" style="width:128pt" width="170">Ted Pella</td>
			<td align="right" class="xl63" style="width:89pt" width="119">16144</td>
			<td class="xl66">Or equivalent</td>
		</tr>
		<tr height="42" style="height:31.5pt">
			<td class="xl63" height="42" style="width:206pt;height:31.5pt" width="275">PELCO Colloidal Silver Paste, Conductive</td>
			<td class="xl63" style="width:128pt" width="170">Ted Pella, Inc.</td>
			<td class="xl68">16032</td>
			<td class="xl66">Or equivalent</td>
		</tr>
		<tr height="21" style="height:15.75pt">
			<td class="xl63" height="21" style="width:206pt;height:15.75pt" width="275">PELCO&#174;&#160;FIB Lift-Out TEM Grids</td>
			<td class="xl63" style="width:128pt" width="170">Ted Pella</td>
			<td class="xl63" style="width:89pt" width="119">10GC04</td>
			<td class="xl66">Or equivalent</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

focused ion beam fabrication of lipon-based solid-state lithium-ion nanobatteries for in situ testing

Solid-State elektrolytter er en lovende erstatning for nuværende økologisk flydende elektrolytter, gør det muligt for højere energi tæthed og forbedret sikkerhed af lithium-ion (Li-ion) batterier. Imidlertid forhindre en række tilbageslag deres integrering i kommercielle enheder. Den vigtigste begrænsende faktor er nanoskala fænomener forekommer på grænsefladerne elektrode/elektrolyt, i sidste ende fører til nedbrydning af batteri drift. Disse centrale problemer er meget udfordrende at konstatere og karakterisere som disse batterier indeholder flere begravet grænseflader. En metode til direkte observation af interfacial fænomener i tyndfilm batterier er gennem fabrikation af elektrokemisk aktiv nanobatteries af en fokuseret ion stråle (FIB). Som sådan er blev en pålidelig teknik til at fabrikere nanobatteries udviklet og demonstreret i seneste arbejde. Heri, præsenteres en detaljeret protokol med en trinvis proces for at aktivere reproduktion af denne nanobattery opdigte oparbejde. Især denne teknik anvendtes til en tynd film batteri bestående af LiCoO2/LiPON/a-Si, og har yderligere tidligere påvist ved i situ cykling i et transmissions-elektronmikroskop.

En repræsentativ solid-state Li-ion nanobattery opdigte oparbejde er vist trin for trin i protokollen refererer til tallene 1-7.
Figur 8 viser i situ afprøvning af de elektrokemiske opladning profiler af to celler, der blev fabrikeret. Begge profiler viser tydeligt en 3,6 V plateau svarende til LiCoO2-Si fuld celle kemi og oxidation af Co3 + → Co4 +. Celle-1 (figur 8en) blev testet på en lavere strømtæthed (50 µA/cm2) begrænse kapaciteten til 12,5 µAh/cm2. Celle-2 (figur 8b) præsenterer en opladning profil på en højere strømtæthed, 1,25 mA/cm2, , som var begrænset af den øvre cut-off spænding på 4,2 V. Kapacitet registreret blev omkring 105 µAh/cm2, tæt på den teoretiske kapacitet af celle-2 (110-120 µAh/cm2). Den første decharge kapacitet af nanobatteries har været dårlig, mens den efterfølgende cyklus kapacitet (både oplade og aflade) var begrænset på grund af den første cyklus uigenkaldelighed. Dechargeproceduren for nanobatteries stadig er optimeret ikke, men en repræsentant lade-aflade profil på en strømtæthed 60 µA/cm2 er præsenteret i figur 9. Kapaciteten var begrænset til 30 min og decharge blev begrænset til 2 V, og det er klart, at reversibiliteten er ca. 35%. Selvom reversibiliteten er meget bedre end hvad der er rapporteret i litteraturen14, yderligere er optimering nødvendig.
Hvis profilen spænding ikke er i overensstemmelse med tynd film batteri kemi, er dette sandsynligvis på grund af enten beam skader eller kortslutning fra re deponerede materiale. Figur 10 viser en spænding profil overensstemmelse med kortslutning, hvor spændingen er konstant og proportional med den anvendte aktuelle. Ion-beam image bekræfter, at der igen deponerede materiale langs kanten. Micromanipulator skal fjernes og yderligere tværsnits rensningsetaper er nødvendig for at fjerne dette materiale. Denne rengoeringen nedsætter nanobattery tværsnit, så strømtæthed bør korrigeres i overensstemmelse hermed.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig1.jpg"> Figur 1 : Elektrisk tilslutning skematisk. En potentiostat er forbundet med FIB nanobattery via eksterne forbindelser: 1) den negative terminal af potentiostat til afbrudt jorden af micromanipulator nål; 2) den katode side til enten en elektrisk afskærmet vakuum feedthrough eller en direkte forbindelse til fase jorden som et touch alarm kredsløb (vist). Interne tilslutninger er foretaget mellem spidsen af micromanipulator og anode og mellem katoden og fase gennem en kobber TEM lift-out gitter. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig2.jpg"> Figur 2 : Pt deposition. SEM billede af Pt beskyttelseshætten deponeret på tynd film batteri overfladen for at undgå skader og gør kontakt. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig3.jpg"> Figur 3 : Nanobattery tværsnit. SEM billeder af nanobattery lamel efter tværsnits skæring på (en) 52 ° tværsnit visning og (b) og 0 ° ovenfra. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a> 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig4.jpg"> Figur 4 : Nanobattery liftout. Ion-beam billeder af (en) lamel med under cut og (b) lift-out af isolerede nanobattery af micromanipulator. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig5.jpg"> Figur 5 : Nanobattery montering. (a) Ion-beam og (b) SEM billede af svejsning de løftede nanobattery til gitteret kobber TEM. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig6.jpg"> Figur 6 : Nanobattery rengøring. Ion-beam billeder af (a) rengøring en af nanobattery tværsnit, (b) elektrisk tilslutning gitter og katode nuværende Samleren af Pt deposition, (c) skåret til at isolere anode fra TEM gitter og (d) rengøring den tværsnit af forreste, tilbage, og sider til at fjerne alle re deponerede materiale. Sidste kontakt er lavet til anoden benytter micromanipulator nemlig påvirke. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a> 
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig7.jpg"> Figur 7 : Nanobattery skader. SEM billeder af et nanobattery tværsnit med (a) ubeskadigede LiPON lag og (b) billeddannelse ved højere forstørrelse induceret skade i det LiPON lag angivet af cirklen. Høj dvæle tid elektronstråle imaging producerer synlige ændringer i LiPON elektrolyt. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig7large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a> 
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig8.jpg"> Figur 8 : Nanobattery opladning data. FIB fabrikerede nanobattery elektrokemiske opladning profil på forskellige strømtætheder med (a) kapacitet begrænset til 12,5 µAh/cm2 og (b) spændingen begrænset til en 4,2 V cut-off. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig8large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a> 
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig9.jpg"> Figur 9 : Nanobattery cykling profil. FIB fabrikerede nanobattery elektrokemiske opladning og afladning profiler på en strømtæthed 60 µA/cm2. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig9large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig10.jpg"> Figur 10 : Kortsluttet nanobattery. (a) spænding profil af en nanobattery, der ikke havde været renset ordentligt resulterer i shorting fra re deponerede materiale og (b) Sektional ion-tværbjælke billede. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig10large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing at JoVE.com

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

En protokol til fabrikation af elektrokemisk aktive LiPON-baserede solid-state lithium-ion nanobatteries ved hjælp af en fokuseret ion stråle præsenteres.

Fokuseret Ion Beam fabrikation af LiPON-baseret Solid-state Lithium-ion Nanobatteries til In Situ test

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Konstruktion og prøvning af Coin celler af lithium-ion batterier

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Solid-state podningscopolymer Elektrolytter for lithium batteri applikationer

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Fabrikation af VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Celler til Elektrokemisk Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Karakterisering af elektrode materialer til lithium-ion og natrium ion-batterier Brug synkrotronstråling Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron pulverdiffraktion Brug Skræddersyede lithium-ion batterier

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

Artsdannelse og biotilgængelighed Målinger af Environmental Plutonium Brug Diffusion i Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures

Ohmsk Kontakt Fabrication Ved hjælp af en Fokuseret-ion Beam Teknik og elektrisk karakterisering for Layer Semiconductor nanostrukturer

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Ikke-vandig Elektrode Behandling og konstruktion af lithium-ion-Coin celler

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

Tre-elektrode mønt celle forberedelse og Electrodeposition Analytics til Lithium-ion-batterier

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

Preparing an Isotopically Pure 229Th Ion Beam for Studies of 229mTh

Preparing an Isotopically Pure 229Th Ion Beam for Studies of 229mTh

Klargøring af en isotopisk ren 229th ionstråle til studier af 229m

A methodology is described to generate an isotopically pure 229Th ion beam in the 2+ and 3+ charge states. This ion beam enables one to investigate the ...