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
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저자는 모든 고체 배터리의 개발에 대 한 지원 자금 인정 하 고 제자리에 거짓말과 미국 에너지 부, 오피스의 기본적인 에너지 과학에 의해 가장 홀더 개발 아래 보너스 번호 드-SC0002357. 국립 연구소와 협력 화학 에너지 저장, 에너지 프론티어 연구 센터는 미국 에너지 부에 의해, 사무실의 기본적인 에너지 과학 수상에서 투자를 위한 북동 센터의 부분 지원 가능 하다 수 드-SC0001294입니다. 이 연구는 미국 DOE 사무실의 과학 시설 인, 계약 번호 아래 Brookhaven 국립 연구소에 기능성 나노 소재에 대 한 센터의 자원 사용 드-SC0012704입니다. 이 작품에는 샌디에고 나노기술 인프라 (SDNI), 국가 나노기술 조정 인프라는 국립 과학 재단 (그랜트 ECCS-1542148)에 의해 지원 되는의 회원 부분에서 수행 되었다. 거짓말 작품 일부에 UC 어바인 소재 연구 연구소 (IMRI), 국립 과학 재단 센터 공간 제한 (체-082913)에서 화학에 대 한 부분에 투자 하는 계측을 사용 하 여 수행 되었다. 우리는 낸시 Dudney, 오크 리 지 국립 연구소 박막 배터리를 제공에 대 한 감사 합니다. : J.L. 유진 Cota Robles 친목 프로그램에서 지원 되며 D.S 세르비아, 라마 누 잔 친목 (SB/S2/RJN-100/2014)에 대 한 인도 게 감사를 인정.

1입니다. 샘플 및 시스템 준비
<ol><li>Al2O3 기판 (500 µ m 두께), 골드 음극 전류 수집 구성 된 전체 박막 배터리를 달성 (100-150 nm 두께, DC 스퍼터 링), LiCoO2 음극 (2 µ m 두께, RF 스퍼터 링), LiPON 전해질 (1 µ m 두께, RF 스퍼터 링), 비정 질 실리콘 양극 (80 nm 두께, RF 스퍼터 링), 및 Cu 양극 현재 수집기 (100 nm, DC 스퍼터 링)16,17.</li>
	<li>25 m m 직경 알루미늄 SEM 스텁에 완전 한 박막 배터리를 탑재 하 고 구리 테이프를 사용 하 여 충전 효과 최소화 하기 위해 SEM 스텁을 음극 전류 컬렉터를 전기적으로 연결할.</li>
	<li>챔버 아래로 양수, 이전 저 잡음 전기 통로 nanobattery에 거치 될 것 이다 하 고 음극 (그림 1)을 전도성 통로 역할 구리 격자에 존재를 확인 합니다.<ol>
<li>음극 리드를 연결로 전자 빔 유도 전류 (EBIC) 측정 적절 한 연결 종류에 대 한 시스템에 존재 하는 차폐 된 전기 피드스루를 통해 무대에. 내부적으로, 노출 팁; 차폐 된 와이어와 함께 무대에는 피드스루를 연결 노출 된 와이어 팁을 확보 하는 방법은 샘플 무대 형식에 따라 달라 집니다 그리고, 여기, 그것은 장소에는 사용 하지 않는 단계 나사에 의해 개최 됩니다.</li>
		<li>또는, 그리고 악기의 무대의 접지 회로의 구성에 따라 그림 1에 표시 된 대로 BNC 케이블을 사용 하 여 단계 지상에는 potentiostat의 음극 리드를 연결 합니다.</li>
		<li>정 전류 모드에서는 potentiostat를 사용 하 여 낮은 전류 노이즈 테스트를 수행 합니다. 어떤 현장에 와 수행은 사이클링 하는 전류를 적용 하 고 정확도 정밀도의 측정된 전류. 참고:에 1.3.1에 설명 된 구성을 사용 하 여, 1 pA ± 0.1 pA의 측정된 전류 달성 했다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>마찬가지로, 전도성 경로에서 만들 micromanipulator 팁 프로브의 외부에 micromanipulator BNC 케이블 또는 그림 1에서 보듯이 악어 클립을 사용 하 여 지상에 potentiostat의 양극 리드를 연결 하 여.<ol>
<li>1.3.3 단계에서 일정 전류 모드에서는 potentiostat를 사용 하 여 낮은 전류 노이즈 테스트를 수행 합니다. 참고: 단계 1.4에서에서 설명 된 연결을 사용 하 여, 달성 최소 안정적인 전류 10 pA ± 1 pA, 비차폐 근거는 micromanipulator에 연결 된 때문 이었다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2입니다.는 Nanobattery의 리프트-아웃.
<ol><li>전자를 켜기 전에 SEM/거짓말 실과 펌프 시스템 지정 된 높은 진공 (≤ 10-5 mbar) 아래에 샘플을 로드 빔, 이온 빔 영상.</li>
	<li>박막 배터리 표면에 전자 빔 초점 고 표준 SEM/거짓말 절차1을 사용 하 여 eucentric 높이 결정 합니다.</li>
	<li>이온 빔 배터리 표면에 정상 샘플을 기울기 (여기 52 ° 샘플 틸트), 0.3 나 주위의 이온 빔 전류를 사용 하 여 박막 배터리의 현재 최고 수집기에 유기 백 금 거짓말 예금의 1.5 ~ 2 µ m 두꺼운 층을 예금 하 고는 d 200의 시간 머물러 ns 25 x 2 µ m (그림 2)의 영역.</li>
	<li>이온 빔 전압 30 kV와 이온 빔 망설임 시간을 100으로 설정 실험 프로토콜의 나머지 부분에 대 한 ns.</li>
	<li>Pt-보증금, 가장 얇은 판자 준비1과 같이 주위 nanobattery 스택 노출 옵션, 밀링 단계 패턴 횡단면 거짓말 거짓말 소프트웨어에 제공 된 사용 합니다. 밀링 현재 ≤2.8 선택 없음. 입력 활성 박막 배터리 아래 1 µ m를 확장 밀 깊이 (Z = 5 µ m이 경우에), 25 µ m와 1.5의 교차 단면 높이 (Y)의 횡단면 폭 (X) Z x (여기, Y = 7.5 µ m). 나중에, sem의에서 볼 수 있도록 배터리 횡단면 노출은 (여기, 전자 빔은 표면 정상에서 52 °) 그림3. 참고: 실제 가공된 깊이 박막 배터리에 의존.</li>
	<li>어디는 이온 빔 점차적으로 청소 되 고 표면에 가까이 레스터, 거짓말 소프트웨어에서 이온 빔 전류 ≤0.3에서 청소 나 다시 입금 자료와 명확 하 게 계층된 구조 ( 노출 제공 횡단면 청소 절차 사용 하 여 그림 3).</li>
	<li>사각형 밑 상처 (J 컷 또는 U-인하 라고도 함)에 0 °의 단계 틸트의 시리즈를 수행 하 고 현재 ≤2.8 빔 nanobattery2의 대부분을 나. Al2O3 기판, ii에 누구나 현재 수집기 아래 i)는 낮은 사각형 0.5 x 25 µ m로 구성 된 아래 상처)는 수직 사각형 0.5 µ m 넓은 (X) nanobattery 두께 (Y), 및 iii의 전체를 통해) 수직 사각형 0.5 µ m 넓은 (X)와 같이 그림 4는Pt 코팅 nanobattery 주위 nanobattery 두께 (Y-2.5 µ m) 보다 작은 높이. 이 세 밑 상처 오버컷인 지역 소재의 재 증 착을 방지 하기 위해 (동시에 가공), 병렬 모드에서 수행 되어야 합니다.</li>
	<li>샘플 180 ° 회전 하 고 같은 수평 단계 2.5에서 약화를 수행. 아래와 나머지 연결 된 영역을 제외 하 고 nanobattery의 분리합니다.</li>
	<li>샘플 180 ° 회전 합니다. 제어 소프트웨어에 지정 된 공원 위치에 micromanipulator를 삽입 한 다음 천천히 nanobattery 소프트웨어의 x-y-z 움직임을 사용 하 여 접촉 그것을.</li>
	<li>이온 빔 입금 0.5 µ m로는 nanobattery의 위에 태평양 표준시 지역에는 micromanipulator 수정 두꺼운 Pt를 사용 하 여 30 keV 이온 빔 전류 10 pA의 2 x 1 µ m의 영역.</li>
	<li>잔여 이온 밀링 빔 1 나, 주변과 인상 micromanipulator (그림 4b) 수직으로 nanobattery 현재는 nanobattery의 부분 연결.</li>
	<li>산 2 µ m 두께 이온 빔과 Cu 거짓말 리프트 아웃 격자에 nanobattery Pt 10 x 5 µ m의 영역 0.28 nA의 전류 30 keV 이온 빔을 사용 하 여 예금.</li>
	<li>이온 밀링 멀리 micromanipulator nanobattery 사용 하 여 30 keV 이온 빔 0.28 nA의 전류 떠나 독립 섹션 2 µ m의 깊이를 1 x 1 µ m의 영역 사이의 연결 Cu 그리드 (그림 5)1에 첨부. 참고: Cu 리프트 아웃 그리드는 nanobattery 장착으로 무대와는 nanobattery 사이의 전도성 통로 역할 플랫 베이스를 제공 합니다.</li>
</ol>3. 청소 및 자전거는 Nanobattery
<ol><li>이온 빔 배터리 표면에 정상 샘플 기울기 및 횡단면 청소 절차 (단계 2.4 참조)의 개별 계층의 명확한 보기에 선도 Cu 그리드 근처 nanobattery 5 µ m 넓은 부분의 이상 다시 예금 된 물자를 제거 하 nanobattery (그림 6를). 참고: 이전 밀링 단계에서 다시 입금된 자료는 nanobattery의 화학적 활성 코어를 노출 하 고 단락 방지 그리드 탑재 nanobattery에서 제거 되어야 합니다.</li>
	<li>보증금 500 nm 두꺼운 거짓말-태평양 표준시를 사용 하 여 30 keV 빔 0.1 nA의 전류 1 x 2 µ m의 지역 음극 전류 컬렉터 및 전기 무대 (그림 6b)에 연결 된 금속 그리드 사이 전기 연락처 만들기.</li>
	<li>기울기 0 ° 샘플 및, 이온을 사용 하 여 1 나의 현재 빔, 사각 3 µ m 넓고 깊은 만큼 잘라 (Z ~ 2 µ m)를 완전히 제거 양극 현재 수집기와 전해질, 세제곱 표그림 6(c)에서 양극을 격리.</li>
	<li>횡단면 청소 절차를 사용 하 여 (단계 2.4 참조) 0.1 나 재료를 제거 하 고 다시 입금 nanobattery 횡단면의 사방 주위 모든 개별 레이어는 그림 6 과 같이 명백 하 게 표시 될 때까지 주위 현재 이온 빔을 d.</li>
	<li>공원 위치에 micromanipulator를 삽입 하 고 양극 현재 수집기 위의 Pt 접촉 micromanipulator가지고 제어 소프트웨어를 사용 하 여. 이온 빔 예금 0.2 µ m 두께를 사용 하 여 30 keV 이온 빔 전류 10 pA의 2 x 1 µ m의 영역 "용접" Pt 연결 micromanipulator 및 현재 수집기 ( 그림 6d)1.</li>
	<li>Galvanostatic 자전거 모드에는 potentiostat를 실행 합니다. 현재 매개 변수 사용 조작된 nanobattery 및 원하는 C-속도, 궁극적인 단면적에 따라 달라 집니다 하지만 일반적으로 몇 없음. 순서 것 요금을 선택 하 고 방전 전류는 전류 밀도 µ A/c m2의 10의 순서. LiCoO2-기반된 박막 배터리, 전압 범위는 2.0 및 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. 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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>

공개 하는 것이 없다.

우리의 결과 의해 같이, 설명 하는 기술은 화학적 활성 nanobatteries 더 큰 박막 배터리에서 해제를 생성 합니다. 이러한 기술은 galvanostatically는 nanobattery를 바이어 싱 하 여 묻혀 인터페이스의 전 situ와 제자리에서 줄기/뱀장어 특성화를 활성화 했습니다. 이로써 양적 화학 현상의 전기 상태 연결의 전례 없는 고해상도 특성. 그러나, 이러한 결과 얻기 위해 다양 한 특정 장애 극복 되어야 한다.
동기 처리를 시작 하기 전에 일정 전류 시험 음극과 양극에서 nanobattery의 저 잡음 전기 통로 되도록 실시 한다. 통풍 거짓말 챔버와 음극 측 테스트를 수행할 수 있습니다. Nanobattery 제작을 위해 챔버를 펌핑 하기 전에 긍정적인 터미널 (중 진공 피드스루 또는 무대 바닥을 통해), 실험을 수행 하는 경우에 연결 되어야 하 고 부정적인 터미널 무대에 직접 연결 합니다. Note 터치 경보 단계 연결, 사용 하는 경우 악기의 터치 알람 기능 비활성화 될 수 있습니다, 그리고 연결 해야만 만들어질 필요는 없습니다 더 기우는 무대의 때. 그러나, 여기는 테스트 시스템을 진공, 아래 필요 합니다 그리고 현재는 micromanipulator와 무대 회로 통해 전달 합니다. micromanipulator 일정 전류 잡음 테스트 구리 격자에 Pt와 전기적으로 준수 수 있습니다 됩니다. 현재 해상도 문제가 계속 되 면, 무대 시스템 접지에서 분리 하는 방법에 대 한 내용은 해당 공급 업체에 문의.
이 기술이 작동 고체 전해질 LiPON에 손상을 최소화 하기 위해 제공 된 이온 빔 규격을 사용 하 여 중요 하다. LiPON는 (i) 습 한 대기 상태, (ii) 전자 빔, 그리고 (iii) 이온 광선에 장기간된 노출에 매우 민감합니다. 따라서 고체 nanobattery 제조 공정 필요 이러한 조건의 모든 3에 대 한 노출 최소화를 합니다. 사전 및 사후 제작 대기 조건에 노출 절대적으로 최소화 한다. 제자리에서 거짓말 순환 과정 설명이 노출을 최소화 하기 위해 솔루션으로 개발 되었다. 동안 및 제조, 전자 빔 후 이미징 고체 전해질 손상으로 제한, 되어야 한다. 마찬가지로, 이온 빔 영상 또한 전해질 및 기타 활성 구성 요소 뿐만 아니라의 저하를 방지에 국한 되어야 합니다. 특정 밀링 파일 및 시간 재료/장비의 특정 시 약, 장비, 및 제조 업체;에 대 한 테이블에 명시 된 장비를 기반으로 이 거짓말 악기, 사이 다를 수 있습니다 그리고 다른 악기를 사용 하는 경우 수정 해야 할 수 있습니다.
모든 매개 변수는 nanobattery의 거짓말 제조에서의 가장 중요 한 고려 사항은 현재 낮은 광속 및 유지 시간14피해 최소화 하기 위해 사용. 필요한 때마다 이미징 낮은 픽셀 면만 번에서 전자와 이온 빔 (pA)에서 일반적으로 낮은 빔 전류와 낮은 유지 시간에 수행 됩니다 (100 ns). 대부분의 시간, 높은 시간 전자 빔 LiPON 전해질에 생산 표시 변경 이미징 연연. 그림 7 손상 되지 않은 LiPON을 표시 하 고 그림 7b와 같이 LiPON 레이어에 손상을 유도 전자 빔으로 영상 추가. 이 피해 대비 변화에 돌이킬 수 없는 결과 이며 nanobattery는 화학적 비활성 렌더링 됩니다.
또한, 전기 자전거에 대 한 적절 한 주의가 제대로 음극 전류 수집기와 그리드 사이 전기 접촉을 (그림 6b). 마찬가지로 양극 (그림 6);에 micromanipulator 접촉을 유지 하는 것이 중요 하다 그림 8는, 약 150에서 보듯이 s, 전기 데이터에 스파이크 양극으로 유도 된 진동 연락처 문제에 해당. Micromanipulator 양극 접촉의 불안정에 대 한 잠재력을 감안할 때는 제자리에서 테스트 시간이 최소화 됩니다 차례로 충전 시간을 단축 하는 nanobattery 용량을 제한 하 여.
전압 프로필 박막 배터리와 일치 하지 않으면 청소 절차는 가능성이 일부 다시 증 착 단락 문제 (그림 10) 발생으로 반복 됩니다. 양극 절연 단계 특히 다시 예금 된 물자의 큰 소스 이다. 전류 밀도 적절 하 게 수정 해야 합니다 그래서이 청소 절차 nanobattery 단면을 감소 합니다. 이온 빔 손상을 완전히 피할 수 없습니다 그리고 그것은 25의 최대 몇 nm 사이 제한 주의 된다 이온 분산 시뮬레이션 SRIM에서에서 계산한 표면에 nm 프로그램 30 keV 전극 재료18에 조지아+ . 낮은 에너지 처리는 대부분19에 피해를 줄일 수 있습니다. 거짓말 프로세스 설명 여기 독특한, 그리고 제조, 조작, 그리고 현장에서 나노의 테스트는 거짓말-sem의 듀얼 빔 시스템으로 사용. 그것은 다른 배터리 화학 물질 및 기타 nanoscale 장치 프로세스를 확장할 수 있습니다.
그것은이 프로토콜에서 제공 하는 특정 매개 변수에 잘 대체 전기 시스템에 직접 전송 하지 않을 수 있습니다 참고 해야 합니다. LiPON 고속에서 이온 빔에서 열 효과에 민감한 결정 했다. 그러나, 다른 전해질 다른 감도에서 고통을 수 있습니다. 마찬가지로, 소재 시스템 좋은 전기 화학이+ 이온 밀링 후 보였다이 프로토콜에서 테스트, 다른 자료 시스템 이온 투성이 이식에 더 취약 있을 수 있습니다. 따라서, 매개 변수 공간의 더 많은 탐사 대체 소재 시스템에 대 한 필요할 수 있습니다. 황 화물 같은 더 민감한 재료 연구의이 분야는 주로 고급 특성화 기술 탐험 하지만 이온 밀링 후 제대로 수행할 수 있습니다. 현실적으로, 이러한 매개 변수 현대 고체 전해질은 일반적으로 결정 하 고 더 강력한 LiPON 보다 관심의 가장 소재 시스템을 번역할 것 이다. 이러한 잠재적인 한계에도 불구 하 고 기술은 새로운 소재 시스템, 대체 계면 현상 발견 가능성을 제공 하 고, 궁극적으로 임피던스 메커니즘을 잠복 근무에 적용 됩니다. 이 기술은 자연 후속은 전기 자전거는 가장에서의 관찰 이다. 이에 수행 된 시스템이이 프로토콜에서 설명 하 고 이러한 인터페이스에서 이전에 보이지 않는 행동을 발견. 이 기술은 다른 형태의 임피던스의 관찰 수 있게 된다.

이온 빔 (FIB) 전송 전자 현미경 (TEM) 시료 준비 및1,2를 편집 하는 회로에 주로 사용 된 집중. Nanofabrication 거짓말을 사용 하는 반도체 재료3에 많은 초점을 지난 2 년 동안 크게 점진 했다. 과학적 발전을 그 중요성에도 불구 하 고 주요 우려가 거짓말 기술로 남아 있다, 표면 손상, 재 증 착, 때문에 높은 전류 밀도4,5우선 스퍼터 링 등. 거기 몇 가지 기사 거짓말 손상 벌크 재료에 가장 표본 준비 중 이었고이 피해를 줄이기 위해 여러 가지 방법이 제안된6,7,,89되었습니다. 그러나, 다른 기능을 가진 여러 계층으로 구성 된 활성 장치의 거짓말 제조 여전히 제한 됩니다.
특히 에너지 저장 분야에에서 고체 장치에 대 한 인터페이스에는 중요 한 역할을 하 고 고체-고체 인터페이스 임피던스10의 지배적인 근원으로 수시로 여겨진다. 이러한 인터페이스는 특히 특성, 자신의 매장 성격과 단 하나의 장치에 여러 개의 인터페이스가 존재 데이터 회선의 조합 때문에 어렵다. 완전히 고체 nanobatteries의 제작이 조사 하 여 궁극적으로 배터리에 전기 화학 프로세스에 영향을 이러한 인터페이스의 동적 특성을 이해 중요 합니다. 박막 배터리 리튬 인 oxynitride (LiPON)에 따라 이상 2 년 전 시연 했다 되며 현재 상용화11. 박막 배터리에서 화학적 활성 nanobatteries의 거짓말 제조는 인터페이스, nanobatteries로 인해 전기 활동을 유지 하기 위해 거짓말 실패를 사용 하 여 조작 하려는 대부분의 시도의 현장에서 평가 사용에 대 한 중요 한 합선12. 초기 시도 제자리에서 시 전자 홀로 그래피13리튬 분포를 관찰 하는 nanobattery의 작은 부분만 박 형 자전거.
더 최근의 작업 현장 전 및 현장에서 스캔 전송 전자 현미경 (줄기)와 전자 에너지 손실 분광학 (화학적 활성 nanobatteries의 성공적인 거짓말 제조 시연 하고있다 계면 현상14,15의 뱀장어) 특성화 중요 한 전기 화학 활동을 유지 하는 데 도움이 거짓말 제조 매개 변수 Santhanagopalan 외. 로 표시 되어 있다 14, 그리고 상세한 프로토콜이이 원고에 표시 됩니다. 이 절차는 모델 LiCoO2/LiPON/a-Si 배터리 기반 하지만 궁극적으로 더 박막 배터리 화학 물질의 탐사 하면.

<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

고체 전해질은 현재 유기 액체 전해질, 높은 에너지 밀도 리튬-이온 (리튬 이온) 배터리의 향상 된 안전 유망한 대체품 이다. 그러나, 난관 수 상용 장치에 그들의 통합을 방지. 주요 제한 요소는 궁극적으로 배터리 작동의 저하로 이어지는 전극/전해질 인터페이스에서 발생 하는 나노 스케일 현상 때문 이다. 이러한 중요 한 문제는 매우 도전적인 관찰 하 고 이러한 배터리 포함 여러 묻혀 인터페이스를 특징. 박막 배터리의 계면 현상의 직접 관찰에 대 한 한 가지 방법은 집중 된 이온 빔 (FIB)에 의해 화학적 활성 nanobatteries의 제작을 통해서이다. 따라서, nanobatteries를 조작 하는 신뢰할 수 있는 기술 개발 및 최근 작품에서. 여기, 단계별 과정을 상세한 프로토콜이 nanobattery 제조 프로세스의 복제를 사용 하도록 제공 됩니다. 특히,이 기술은 LiCoO2/LiPON/a-Si, 구성 된 박막 배터리에 적용 된 그리고 더 이전 제자리에 전송 전자 현미경에서 사이클링에 의해 입증 되었습니다.

대표적인 고체 리튬 이온 nanobattery 제조 공정 단계별 그림 1-7을 참조 하는 프로토콜에 표시 됩니다.
그림 8 는 제자리에 조립 된 두 셀의 전기 충전 프로 파일의 테스트를 보여 줍니다. 두 프로필 명확 하 게 해당 LiCoO2-시 전체 셀 화학과의 공동3 + → 공동4 +산화 하 3.6 V 고원을 보여줍니다. 셀-1 (그림 8는) 12.5 µAh/cm2충전 용량을 제한 하는 낮은 전류 밀도 (50 µ A/c m2)에서 시험 되었다. 셀-2 (그림 8b) 더 높은 전류 밀도, 1.25 mA/cm2, 는 4.2 V의 위 커트 오프 전압에 의해 제한 되었다에 충전 프로 파일을 제공 합니다. 기록 용량 약 105 µAh/cm2, 셀-2 (110-120 µAh/cm2)의 이론 용량에 가까운 이었다. 후속 주기 용량 (충전 및 방전) 첫 번째 주기 경험 irreversibility 인해 제한 동안에 nanobatteries의 첫 번째 방전 용량 가난한 되었습니다. 그러나 Nanobatteries 방전 과정은 최적화 되지, 60 µ A/c m2 의 전류 밀도에서 대표적인 충전-방전 프로 파일 그림 9에 표시 됩니다. 충전 용량 30 분으로 제한 되었다와 방전 2 V, 제한 되었다 그리고는 가역 약 35%는 분명 하다. 가역은 문학14에 보고 무엇 보다 훨씬 더 최적화는 필요 합니다.
전압 프로필 박막 배터리 화학와 일치 하지 않으면 이것은 어느 빔 손상으로 인해 또는 다시 예금 된 물자에서 단락. 그림 10 단락 어디 전압은 일정 하 고 적용 된 전류에 비례와 일치 전압 프로필을 보여줍니다. 이온 빔 이미지 가장자리를 따라 다시 입금된 자료 확인 합니다. micromanipulator 제거 되어야 하 고 더 횡단면 청소 단계가이 자료를 제거 하는 데 필요한. 전류 밀도 적절 하 게 수정 해야 합니다 그래서이 청소 절차 nanobattery 단면을 감소 합니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig1.jpg"> 그림 1 : 전기 연결 회로도. potentiostat 외부 연결을 통해 거짓말 nanobattery에 연결 되어: 1); micromanipulator 바늘의 연결이 끊긴된 땅에 potentiostat의 부정적인 터미널 전기 차폐 진공 피드스루 또는 터치 알람 회로 (그림 참조)와 같은 무대 접지에 직접 연결 2) 음극 측. micromanipulator의 팁과, 양극 및 음극 구리 편 리프트 아웃 그리드를 통해 무대 사이 내부 연결이 만들어집니다. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig2.jpg"> 그림 2 : Pt 증 착. 손상 및 만들기 접촉. 을 피하기 위해 박막 배터리 표면에 Pt 보호 캡의 SEM 이미지 <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig3.jpg"> 그림 3 : Nanobattery 횡단면. 52 ° 횡단면 보기 (a) 와 (b) 와 0 ° 최고 보기. 에서 단면 절단 후 nanobattery 얇은 판자의 SEM 이미지 <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a> 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig4.jpg"> 그림 4 : Nanobattery liftout. (A) 오버컷인와 (b) 얇은 판자의 이온 빔 이미지 리프트-으로 격리 된 nanobattery의 micromanipulator. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig5.jpg"> 그림 5 : Nanobattery 장착입니다. (a) 구리 가장 그리드 해제 nanobattery 용접의 이온 빔과 (b) SEM 이미지. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig6.jpg"> 그림 6 : Nanobattery 청소. 의 (a) nanobattery 횡단면, (b) 전기 그리드와 음극 전류 컬렉터 Pt 증 착, (c) 가장 그리드, 및 (d) 청소에서 양극을 잘라 연결 중 하나를 청소 이온 빔 이미지는 앞, 뒤, 그리고 모든 다시 예금 된 재료를 제거 하는 측면의 단면. 마지막 접촉. 바이어스는 micromanipulator 사용 하 여 양극에 이루어집니다. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a> 
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig7.jpg"> 그림 7 : Nanobattery 손상. (A) 손상으로 nanobattery 횡단면의 SEM 이미지 LiPON 레이어 및 더 높은 확대에서 (b) 이미징 LiPON 레이어. 원으로 표시에 손상 유발 높은 시간 전자 빔 LiPON 전해질에 생산 보이는 변화 이미징 연연. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a> 
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig8.jpg"> 그림 8 : 데이터 충전 Nanobattery. 거짓말 조작 nanobattery 전기 충전 12.5 µAh/cm2 및 (b) 4.2 V 커트 오프 전압 제한 용량 (a) 로 다양 한 전류 밀도에서 프로필. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a> 
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig9.jpg"> 그림 9 : Nanobattery 자전거 프로필. 거짓말은 nanobattery 전기 충전 및 방전 프로 파일 60 µ A/c m2의 전류 밀도에서 조작. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig9large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig10.jpg"> 그림 10 : 단락된 nanobattery. (a) 전압 프로필 하지 않았다면 nanobattery의 청소 제대로 교차 단면 이온 빔 이미지 다시 예금 된 물자 및 (b) 단락에 결과. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig10large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>

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

집중 된 이온 살을 사용 하 여 화학적 활성 LiPON 기반 고체 리튬-이온 nanobatteries의 제조에 대 한 프로토콜 제공 됩니다.

집중 된 이온 빔 제작 현장에서 테스트 LiPON 기반 고체 리튬-이온 Nanobatteries

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

건설과 리튬 이온 배터리의 동전 전지의 테스트

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

연구

공학

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

리튬 배터리 애플리케이션을위한 고체 그래프트 공중 합체 전해질

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