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 bekrefter finansiering støtte for utvikling av alle solid state batterier og i situ LØGN og TEM holderen utvikling av US Department of Energy, Office of grunnleggende energi Sciences, under tildele nummer DE-SC0002357. I samarbeid med national laboratories er gjort mulig med delvis støtte nordøstlige sentrum for kjemisk energilagring, en energi Frontier Research Centre finansiert av US Department of Energy, Office for energi basalfag under prisen nummer DE-SC0001294. Denne forskningen brukt ressurser av Center for Funksjonell nanomaterialer, som er en USA DOE kontoret av vitenskap anlegget, ved Brookhaven National Laboratory under Kontraktnr. DE-SC0012704. Dette arbeidet ble utført delvis på San Diego nanoteknologi infrastruktur (SDNI), et medlem av den nasjonale nanoteknologi koordinert infrastrukturen, som støttes av National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). FIB arbeidet ble utført delvis på den UC Irvine materialer Research Institute (IMRI), bruker instrumentering delfinansiert av National Science Foundation Center for kjemi ved Space-Time grensen (CHE-082913). Vi takker Nancy Dudney, Oak Ridge National Laboratory for å gi oss tynn-film batteriene. JL anerkjenner støtte fra Eugene Cota-Robles stipendprogrammet og D.S er takknemlig til SERBISKE, India for Ramanujan fellesskap (SB/S2/RJN-100/2014).

1. forberedelse av prøven og System
<ol><li>Oppnå et komplett tynnfilm batteri består av et Al2O3 substrat (500 µm tykk), en gull katode gjeldende samler (100-150 nm tykk, DC freste), en LiCoO2 katode (2 µm tykk, RF freste), en LiPON elektrolytt (1 µm tykk, RF freste), en amorf silisium anode (80 nm tykk, RF freste), og en Cu anode gjeldende samler (100 nm, DC freste)16,17.</li>
	<li>Montere et komplett tynnfilm batteri på mangelfull 25 mm diameter aluminium SEM, og bruk en kobber tape å elektrisk tilkobling katoden gjeldende kollektoren til SEM stubben å minimere lading effekter.</li>
	<li>Før pumping ned kammeret, kontroller en lav støy elektrisk sti finnes i kobber rutenettet, som nanobattery skal og vil tjene som ledende veien til katoden (figur 1).<ol>
<li>Koble katoden ledelsen til scenen gjennom en skjermet elektriske feedthrough, som finnes i systemer som er utstyrt for elektronstråle indusert gjeldende (EBIC) mål med riktig tilkoblingstype. Internt, koble feedthrough til scenen med en skjermet kabel med en utsatt spissen; metoden for å sikre eksponert ledningen spissen vil avhenge av hvilken utvalg scenen, og her det holdes på plass av en ubrukt scenen festeskruen.</li>
		<li>Alternativt, og avhengig av konfigurasjonen av jording kretsen av instrumentets scenen, koble katoden ledelsen av potentiostat til scenen bakken med en BNC-kabel som vist i figur 1.</li>
		<li>Utføre lav gjeldende støy testen bruker potentiostat i konstant gjeldende modus. Bruk gjeldende som i situ sykling er utført, og observere nøyaktighet og presisjon av målt gjeldende. Merk: Bruker konfigurasjonen beskrevet i 1.3.1, ble en målte strøm av 1 pA ± 0,1 pA oppnådd.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Likeledes opprette en ledende veien fra micromanipulator spissen på utsiden av sonden ved å koble anode ledelsen av potentiostat til micromanipulator bakken med en BNC-kabel eller en alligator klipp som vist i figur 1.<ol>
<li>Som i trinn 1.3.3, kan du utføre lav gjeldende støy testen bruker potentiostat i konstant gjeldende modus. Merk: Bruk tilkoblingene som beskrevet i trinn 1.4, var minimum stabil gjeldende oppnådde 10 pA ± 1 pA, på grunn av uskjermede grunnlag koblet til micromanipulator.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Løft ut av Nanobattery
<ol><li>Laste inn prøven i SEM/FIB kammer og pumpe ned systemet angitte høyvakuum (≤10-5 mbar) før du slår på elektronet strålen og ion stråle bildebehandling.</li>
	<li>Fokus elektronstråle på tynnfilm batteri overflaten og bestemme eucentric høyden ved hjelp av standard SEM/FIB prosedyrer1.</li>
	<li>Vipp utvalget slik at ion strålen er vanlig batteri overflaten (her 52° eksempel tilt), og sette en 1,5 til 2 µm tykt lag av FIB avsatt organometalliske platinum på topp gjeldende kollektoren tynn-film batteriet bruker en ion stråle strøm av rundt 0,3 nA en d bor tid 200 ns over et område på 25 x 2 µm (figur 2).</li>
	<li>Angitt ion strålen spenning til 30 kV og ion strålen holdetiden 100 ns for resten av eksperimentelle protokollen.</li>
	<li>Bruke en trinn-mønster cross-sectional FIB fresing alternativet, følger FIB programvaren, til å vise nanobattery stabelen rundt Pt-innskudd, som TEM lameller forberedelse1. Velg en fresing gjeldende ≤2.8 nA. Input mill dyp utvide minst 1 µm under aktiv tynnfilm batteriet (Z = 5 µm i dette tilfellet), tverrprofilbredden (X) på 25 µm og kryss seksjon høyde (Y) på 1,5 x Z (her, Y = 7,5 µm). Etterpå batteri tverrsnitt er utsatt, for å vises i SEM (her elektronstråle er 52° fra overflaten normal) som i Figur 3. Merk: Faktiske valset dybden er tynn film batteri avhengige.</li>
	<li>Bruke et tverrsnitt klargjøringsprosedyren, i FIB programvaren der ion overføring trinnvis rasters nærmere til overflaten rengjøres med en ion strålen gjeldende ≤0.3 nA å feilfri av re avsatt materiale og tydelig utsette lagdelt struktur ( Figur 3).</li>
	<li>Utføre en rekke rektangel under kutt (også kalt J-kutt eller U-kutt) på en etappe vinkel på 0 ° og stråle gjeldende ≤2.8 nA isolere flertallet av nanobattery2. Under kutt bestående av i) en lavere rektangel 0.5 x 25 µm under Au gjeldende collector på Al2O3 underlaget, ii) en loddrett rektangel 0,5 µm bredt (X) og gjennom hele nanobattery tykkelse (Y), og iii) et loddrett rektangel 0,5 µm bredt (X) og med en høyde som er mindre enn nanobattery tykkelse (Y - 2,5 µm) rundt Pt-belagt nanobattery som i Figur 4en. Disse tre under kutt skal utføres i parallell modus (samtidig valset), for å forhindre re deponering av materiale i regionene under kutt.</li>
	<li>Rotere prøven 180° og utføre den samme vannrett undergrave som i trinn 2.5. Dette isolerer bunnen og sidene av nanobattery bortsett fra gjenværende tilkoblede regionen.</li>
	<li>Rotere prøven 180°. Sett micromanipulator til park plasseringen angitt i Kontrollprogramvaren, så ta det sakte i kontakt med nanobattery med x-y-z bevegelsen av programvaren.</li>
	<li>Fastsette micromanipulator til Pt regionen på nanobattery av ion-beam innskudds 0,5 µm tykk Pt med en 30 keV ion stråle med en strøm av 10 pA over et område på 2 x 1 µm.</li>
	<li>Ion mill gjenværende knyttet en bjelke gjeldende rundt 1 nA, og høyne nanobattery vertikalt med micromanipulator (Figur 4b) del av nanobattery.</li>
	<li>Mount nanobattery i en Cu FIB heis ut rutenett med 2 µm tykk ion-beam avsatt Pt med en 30 keV ion stråle med en strøm av 0,28 nA over et område på 10 x 5 µm.</li>
	<li>Ion mill unna tilkoblingen mellom micromanipulator og nanobattery med en 30 keV ion stråle med en strøm av 0,28 nA over et område på 1 x 1 µm til en dybde på 2 µm, forlate en frittstående del knyttet til Cu rutenett (figur 5)1. Merk: Cu heis ut rutenettet tilbyr en flate base for montering av nanobattery, samt som en ledende veien mellom scenen og nanobattery.</li>
</ol>3. rengjøring og sykling i Nanobattery
<ol><li>Tilt utvalget slik at ion strålen er vanlig batteri overflaten og bruk en cross-sectional klargjøringsprosedyren (se trinn 2.4) å fjerne re avsatt materiale over en 5 µm bredt del av nanobattery nær Cu rutenettet, fører til et klart syn på enkeltlag i nanobattery (figur 6en). Merk: Nytt avsatt materiale fra fresing trinnene må fjernes fra rutenett-montert nanobattery å avsløre electrochemically aktive kjernen i nanobattery og hindre shorting.</li>
	<li>Innskudd 500 nm tykk FIB-Pt med en 30 keV stråle med en strøm av 0,1 nA over et område på 1 x 2 µm for å opprette en elektrisk kontakt mellom katoden gjeldende collector og metallisk rutenettet, som er elektrisk koblet til scenen (figur 6b).</li>
	<li>Tilt prøve å 0° og bruker et ion stråle på 1 nA, gjøre et rektangulært klipp 3 µm vidt og dypt nok (Z ~ 2 µm) helt fjerne anode nåværende samler og elektrolytt, isolere anoden fra Cu rutenettet (figur 6c).</li>
	<li>Bruke tverrsnitt klargjøringsprosedyren (se trinn 2.4) med en ion strålen gjeldende rundt 0,1 nA fjerne re avsatt materialet rundt alle sidene på nanobattery tverrsnitt til alle de enkelte lag er tydelig synlig som vist i figur 6 d.</li>
	<li>Sett micromanipulator til park posisjon, og bruker Kontrollprogramvaren, bringe micromanipulator kontakt med Pt over anode gjeldende kollektoren. Ion strålen innskudd 0,2 µm tykk Pt med en 30 keV ion stråle med en strøm av 10 pA over et område på 2 x 1 µm å "sveise" koble micromanipulator og gjeldende samler ( figur 6d)1.</li>
	<li>Kjør i potentiostat i galvanostatic sykling modus. Gjeldende parametere som brukes avhenger av de ultimate tverrsnitt av fabrikkerte nanobattery og ønsket C-hastighet, men vil vanligvis være på noen eller Vi velger du gebyr og utslipp strømmer slik at den nåværende tettheten på titalls µA/cm2. LiCoO2-basert tynnfilmbatterier, spenningsområde 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 ingenting å avsløre.

Som vist av resultatene, produserer teknikken beskrevet electrochemically aktive nanobatteries løftes ut fra et større tynn-film batteri. Slike teknikker har aktivert både ex situ og i situ STEM/ÅL karakterisering av begravet grensesnittene som galvanostatically leding av nanobattery. Dette gir enestående høyoppløselig karakteristikk av kvantitative kjemiske fenomener knyttet til elektrokjemiske status for ladingen. Men for å oppnå disse resultatene, må en rekke spesifikke hindringer overvinnes.
Før du starter FIB behandling, skal konstant aktuelle tester utføres for å sikre at det er en lav støy elektrisk sti til katoden og anode av nanobattery. Katode-side testing kan utføres med FIB kammeret ventilert. Før pumping ned kammeret nanobattery fabrikasjon, positiv terminal skal kobles liksom om utføre eksperimentet (enten gjennom et vakuum feedthrough eller scenen bakken), og den negative terminalen koblet direkte til scenen. Merk at hvis bruker touch alarmen som en scene tilkobling, touch alarm evnen til apparatet kan være deaktivert, og tilkoblingen gjøres bare når ingen ytterligere vippe av scenen er nødvendig. Men testen krever her at systemet skal være under vakuum, og gjeldende vil passere gjennom både i micromanipulator og scenen krets. Micromanipulator kan følges med Pt elektrisk til kobber rutenettet for konstant gjeldende støy tester. Hvis gjeldende oppløsningsproblemer vedvarer, kontakter du leverandøren for informasjon om hvordan frakoble scenen fra grunnen av systemet.
For denne teknikken fungerer, er det viktig å bruke angitte ion strålen spesifikasjonene for å minimere solid-elektrolytt-LiPON. LiPON er svært følsom for langvarig eksponering for (i) fuktig atmosfæriske forhold, (ii) elektron strålen og (iii) ion bjelker. Dermed krever SSD nanobattery fabrikasjon prosessen minimering av eksponering for alle tre av disse betingelsene. Før og etter fabrikasjon eksponering atmosfæriske forhold bør minimaliseres absolutt. I situ FIB sykling prosessen beskrevet ble utviklet som en løsning for å minimere denne eksponeringen. Under og etter fabrikasjon, elektronstråle imaging bør være begrenset, som det kan skade solid-elektrolytt. Tilsvarende ion strålen imaging bør også være begrenset til unngå nedbrytning av elektrolytt og andre aktive komponenter også. Bestemt fresing filene og ganger er basert på utstyret i tabellen materialer/utstyr for bestemte reagenser og utstyr produsenter; Dette kan variere mellom FIB instrumenter, og modifikasjoner kan være nødvendig når du bruker et annet instrument.
Alle parametere i FIB fabrikasjon av en nanobattery er de viktigste hensyn bruk av nærlys gjeldende og holdetiden å minimere skade14. Når det er nødvendig, bildebehandling utføres med elektroner lavt bor ganger og ion bjelker lavere stråle strøm (vanligvis i pA) og lav holdetiden (100 ns). Mesteparten av tiden, høy bor tid elektronstråle imaging produserer synlige endringer på LiPON elektrolytten. Figur 7 en viser en uskadet LiPON og videre tenkelig med elektronstråler medfører skade på det LiPON laget som vist i figur 7b. Denne skaden er irreversibel gir en kontrast endring og vil gjøre nanobattery electrochemically inaktive.
Videre for elektrokjemiske sykling, riktig omsorg må tas å lage elektrisk kontakt mellom katoden gjeldende collector og rutenettet skal (figur 6b). Det er like viktig å opprettholde micromanipulator kontakten til anoden (figur 6). som vist i Figur 8en, på rundt 150 s, en topp i elektrokjemiske dataene tilsvarer en vibrasjon indusert kontakt problemet med anoden. Gitt potensialet for ustabilitet av micromanipulator-anode kontakten, er den i situ testing tid minimert ved å begrense nanobattery kapasitet, igjen redusere Ladetiden.
Hvis spenningen profilen ikke er konsekvent med tynn film batteri, gjentas klargjøringsprosedyren som det er trolig noen re deponering forårsaker shorting problemer (Figur 10). Anode isolasjon trinnet er spesielt en stor kilde til nytt avsatt materiale. Denne klargjøringsprosedyren reduserer nanobattery tverrsnitt, så den nåværende tettheten bør korrigeres tilsvarende. Det bemerkes at ion strålen skader ikke unngås helt og det er begrenset til mellom noen nm opptil 25 nm i overflaten, som beregnes ut fra ion spredning simuleringer SRIM program for 30 keV Ga+ i elektrode materialer18. Lav energi behandling kan redusere skaden til en stor grad19. FIB prosessen demonstrert her er unik, og fabrikasjon, manipulasjon og i situ testing av nanodevices aktiveres av LØGN-SEM dual beam systemer. Det er mulig å forlenge prosessen til alle andre batteri kjemikalier og andre nanoskala enheter.
Det er viktig å merke seg at spesifikke parametrene i denne protokollen ikke kan direkte overføre godt til alternative elektrokjemiske systemer. LiPON var fast bestemt på å være følsomme for termiske effekten fra ion strålen under skanning dyrt. Men kan andre elektrolytter lide av andre sensitiviteter. På samme måte selv om materielle systemet testet i denne protokollen viste god elektrokjemi etter Ga+ ion fresing, kan andre materialer systemer være mer utsatt for ion straggle og implantasjon. Slik kan mer utforsking av parameteren plass være nødvendig for alternative materiale systemer. Sensitive materialer som sulfides kan gi dårlig effekt etter ion fresing, om dette området av forskning er stort sett uutforsket med avansert karakterisering teknikker. Realistisk, vil disse parameterne oversette til mest materiale systemer av interesse, som moderne solid elektrolytter er generelt krystallinsk og mer robust enn LiPON. Til tross for disse potensielle begrensninger brukes teknikken å ny materiale systemer, tilbyr muligheten å finne alternative interfacial fenomener, til slutt avdekke impedans mekanismer. En naturlig oppfølging av denne teknikken er observasjon av elektrokjemiske sykling i TEM. Dette er utført på systemet beskrevet i denne protokollen, og avdekket tidligere usett atferd på disse grensesnittene. Denne teknikken gjør observasjon av alternative former av impedans.

Fokusert ion bjelker (FIB) har vært brukt hovedsakelig til overføring elektronmikroskop (TEM) prøven forberedelse og krets redigering1,2. Nanofabrication bruker FIB har kommet betydelig i løpet av de siste to tiårene med mye fokus på halvleder materiale3. Til tross for dens betydning for vitenskapelige fremskritt forblir store bekymringer med FIB teknikker, inkludert overflate skader, re avsettelse og fortrinnsrett sputtering på grunn av høy nåværende tetthet4,5. Det har vært flere artikler på FIB skadelige bulkgods under utarbeidelsen av TEM og flere metoder for å redusere skade har vært foreslått6,7,8,9. Men er FIB fabrikasjon av aktive enheter som består av flere lag med forskjellig funksjonalitet fortsatt begrenset.
For SSD enheter, spesielt innen energilagring, grensesnitt spille en avgjørende rolle, og solid-solid grensesnittet er oftest sett som en dominerende impedans10. Disse grensesnittene er spesielt vanskelig å karakterisere, skyldes en kombinasjon av deres begravet natur og data convolution i nærvær av flere grensesnitt i en enkelt enhet. Fabrikasjon av fullt SSD nanobatteries er avgjørende for å undersøke og forstå dynamikken i disse grensesnittene, som til slutt påvirke elektrokjemiske prosessene i batterier. Tynnfilmbatterier basert på lithium fosfor oxynitride (LiPON) ble vist mer enn to tiår siden og er nå kommersialiserte11. Selv om FIB fabrikasjon av electrochemically aktive nanobatteries fra en tynn film batteri er avgjørende for aktivering i situ evaluering av grensesnitt, de fleste forsøk å dikte nanobatteries bruker FIB mislykkes for å beholde elektrokjemiske aktivitet skyldes kortslutning12. Første forsøk på in situ sykling tynnet bare en liten del av nanobattery, å observere litium fordelingen av elektron holography13.
Nyere arbeid har vist vellykket FIB fabrikasjon av electrochemically aktive nanobatteries, som aktivert både ex situ og i situ skanning overføring elektronmikroskop (STEM) og elektronet energi tap spektroskopi ( EELS) karakterisering av interfacial fenomen14,15. Viktige FIB fabrikasjon parametere som bidrar til å beholde elektrokjemiske aktivitet har vært indikert av Santhanagopalan et al. 14og en detaljert protokoll presenteres i dette manuskriptet. Denne fremgangsmåten er basert på en modell LiCoO2/LiPON/a-Si batteri, men til slutt gjør utforskning av ytterligere tynnfilm batteri kjemikalier.

<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

SSD elektrolytter er en lovende erstatning for gjeldende organisk flytende elektrolytter, slik at høyere energi tettheter og økt sikkerhet litiumionbatteri (Li-ion) batterier. Imidlertid hindre flere tilbakeslag deres integrering i kommersielle enheter. Den viktigste begrensende faktoren er nanoskala fenomener som forekommer i elektrode/elektrolytt grensesnittene, slutt fører til nedbrytning av batteridrift. Disse viktige problemer er svært vanskelig å observere og karakterisere disse batteriene inneholder flere begravet grensesnitt. En tilnærming for direkte observasjon av interfacial fenomener i tynnfilmbatterier er gjennom fabrikasjon av electrochemically aktive nanobatteries av en fokusert ion bjelke (FIB). Som sådan, ble en pålitelig teknikk for å dikte nanobatteries utviklet og vist i siste arbeid. Her vises en detaljert protokoll med en trinnvis prosess slik at gjengivelse av denne nanobattery fabrikasjon prosessen. Spesielt denne teknikken ble brukt til en tynn film batteri bestående av LiCoO2/LiPON/a-Si, og har videre blitt tidligere demonstrert av i situ sykling i transmission elektron mikroskop.

En representant SSD Li-ion nanobattery fabrikasjon prosessen vises trinnvise i protokollen refererer tallene 1-7.
Figur 8 viser i situ testing av elektrokjemiske lading profiler av to celler som ble fabrikkert. Begge profiler viser tydelig et 3.6 V platå tilsvarer LiCoO2-Si full celle kjemi og oksidasjon av Co3 + → Co4 +. Celle-1 (Figur 8en) ble testet på en lavere nåværende tetthet (50 µA/cm2) begrense ladekapasiteten 12.5 µAh/cm2. Celle-2 (Figur 8b) presenterer en lading profil på en høyere nåværende tetthet, 1,25 mA/cm2, som var begrenset av øvre cut-off spenningen på 4,2 V. Kapasiteten registrert var ca 105 µAh/cm2, nær kapasitet av celle-2 (110-120 µAh/cm2). Første utslipp kapasiteten til nanobatteries har vært dårlig mens påfølgende syklus kapasiteten (både kostnader og utslipp) var begrenset på grunn av første syklus irreversibilitet. Utslipp prosessen med nanobatteries fortsatt er optimalisert ikke, men en representant kostnad-utslipp profil på en nåværende tetthet av 60 µA/cm2 er presentert i figur 9. Ladekapasiteten var begrenset til 30 min og utslippet var begrenset til 2 V, og det er tydelig at Reversibilitet er ca 35%. Selv om Reversibilitet er mye bedre enn det som er rapportert i litteraturen14, ytterligere er optimalisering nødvendig.
Hvis spenningen profilen ikke er konsekvent med tynn film batteriets kjemi, er dette trolig på grunn av enten strålen skade eller shorting re avsatt materiale. Figur 10 viser en spenning profil samsvar med shorting der spenningen er konstant og proporsjonal med brukes gjeldende. Ion-beam bildet bekrefter at det er nytt avsatt materiale langs kanten. Micromanipulator må fjernes og ytterligere cross-sectional rengjøring trinn kreves for å fjerne dette materialet. Denne klargjøringsprosedyren reduserer nanobattery tverrsnitt, så den nåværende tettheten bør korrigeres tilsvarende.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig1.jpg"> Figur 1 : Elektrisk tilkobling skjematisk. En potentiostat er koblet til FIB nanobattery via eksterne tilkoblinger: 1) den negative terminalen på potentiostat i frakoblet bakken micromanipulator nålen; 2) den katode siden en elektrisk skjermet vakuum feedthrough eller en direkte tilkobling til scenen bakken som en touch alarm krets (vist). Intern tilkoblingen mellom spissen av micromanipulator og anoden og mellom katode og trinn gjennom en kobber TEM heis ut rutenettet. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig2.jpg"> Figur 2 : Pt deponering. SEM bilde av Pt beskyttelseshetten avsatt på tynnfilm batteri overflaten for å unngå skade og gjør kontakt. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig3.jpg"> Figur 3 : Nanobattery tverrsnitt. SEM bilder av nanobattery-lameller etter cross-sectional klipping (a) 52 ° tverrsnittvisningen og (b) og 0 ° ovenfra. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig4.jpg"> Figur 4 : Nanobattery liftout. Ion-beam bilder av (a) lameller med under klipp og (b) heis ut av de isolerte nanobattery av micromanipulator. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig5.jpg"> Figur 5 : Nanobattery montering. (a) Ion-stråle og (b) SEM bilde av sveising løftet nanobattery i kobber TEM-rutenettet. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig6.jpg"> Figur 6 : Nanobattery rengjøring. Ion-beam bilder av (a) rengjøring en av nanobattery tverrsnitt, (b) koble elektrisk rutenett og katoden gjeldende samleren av Pt deponering, (c) kuttet for å isolere anode fra TEM rutenett og (d) rengjøring av tverrsnitt av forsiden, baksiden og sidene for å fjerne alle re avsatt materiale. Siste kontakt gjøres til anoden bruker micromanipulator for biasing. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig7.jpg"> Figur 7 : Nanobattery skade. SEM bilder av et nanobattery tverrsnitt med (a) uskadet LiPON lag og (b) bildebehandling ved høyere forstørrelse forårsaket skade i LiPON laget angitt av sirkelen. Høy bor tid elektronstråle imaging produserer synlige endringer i LiPON elektrolytten. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig7large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig8.jpg"> Figur 8 : Nanobattery lading data. FIB fremstille nanobattery elektrokjemiske lading profil på forskjellige gjeldende tettheter med (a) kapasiteten begrenset til 12,5 µAh/cm2 og (b) spenningen begrenset til en 4,2 V cut-off. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig8large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig9.jpg"> Figur 9 : Nanobattery sykling profil. FIB fremstille nanobattery elektrokjemiske lading og utlading profiler på en nåværende tetthet av 60 µA/cm2. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig9large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig10.jpg"> Figur 10 : Kortsluttet nanobattery. (a) spenning profil av en nanobattery som ikke hadde blitt renset riktig resulterer i shorting re avsatt materiale og (b) seksjon ion-tverrbjelken bildet. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig10large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 protokoll for fabrikasjon av electrochemically aktive LiPON-baserte SSD litium-nanobatteries bruker en fokusert ion bjelke presenteres.

Fokusert Ion strålen fabrikasjon av LiPON-baserte SSD litium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

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

Bygging og testing av Knappcelle av litium 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 podingskopolymeren Elektrolytter for litium batteri Applications

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

Fabrikasjon av VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells for Elektrokjemisk 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 av elektrodematerialer for Lithium Ion og Sodium Ion batterier Bruke Synchrotron Radiation Teknikker

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 Powder Diffraksjon Bruke Spesiallagde 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 biotilgjengelighet Målinger av Miljø Plutonium Bruke 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 hjelp av en Focused-ion Beam Teknikk 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 Processing og konstruksjon av Lithium-ion Knappcelle

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 mynt celle forberedelse og elektrodeposisjon analyser for litium-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

Klargjøre en Isotopically Pure 229th ion Beam for studier av 229mth

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 ...