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

Авторы признают, что финансовая поддержка для развития всех твердый состояние батареи и в situ FIB и ТЕА держатель развития, министерства энергетики США, Управление основных энергетических наук, под премию номер де-SC0002357. Сотрудничество с национальными лабораториями стало возможным с северо-восточной части центра частичная поддержка хранения химических энергии, энергии границы исследовательский центр финансируется Департаментом энергетики США, отделение фундаментальных наук энергии под награду номер де-SC0001294. Это исследование использовать ресурсы центра для функциональных наноматериалов, который является US DOE отделение объекта от науки, в Брукхейвенской национальной лаборатории по контракту № ДЕ SC0012704. Эта работа была выполнена частично в Сан-Диего нанотехнологии инфраструктуры (SDNI), членом национальной скоординированной инфраструктуры нанотехнологии, которая поддерживается Национальный научный фонд (Грант ECCS-1542148). FIB работа была выполнена частично на UC Ирвайн материалов исследовательский институт (ИМРИЯ), с помощью инструментария, частично финансируется Национальный научный фонд центр для химии на пространственно-временной предел (ЧЕ-082913). Мы благодарим Nancy Dudney, Окриджская национальная лаборатория для предоставления нам тонкопленочные батареи. Ж.л. признает поддержку от программы стипендий Евгений кота-Роблес и Д.С благодарна СЕРБОВ, Индии Рамануджана стипендий (SB/S2/RJN-100/2014).

1. Подготовка образца и системы
<ol><li>Достичь полной тонкой пленки батареи, состоящий из Al2O3 субстрата (толщиной 500 мкм), Золотой катод токоприемник (100-150 Нм толщиной, DC распыленных), катод2 LiCoO (толщиной 2 мкм, RF распыленных), электролит ЛИПОН (толщиной 1 мкм РФ распыленных), аморфного кремния анод (80 Нм толщиной, распыленных РФ) и Cu анод токоприемник (100 Нм, DC распыленных)16,17.</li>
	<li>Смонтировать полный тонкопленочные батареи на заготовка диаметром 25-мм алюминия SEM и использовать медные ленту для электрически соединения катода токоприемник SEM заглушку для сведения к минимуму зарядки эффекты.</li>
	<li>Перед закачкой вниз камеры, убедитесь, что электрические пути малошумящие существует для медной сетки, которая nanobattery на будет установлен и будет служить проводящие пути к катоду (рис. 1).<ol>
<li>Подключите провод катода на сцену через Экранированный электрический проходной, как присутствует в системах для электронно-лучевые индуцированной измерения токов (EBIC) с типом соответствующего подключения. Внутренне Подключите проходной на сцену с экранированный провод с подвергаются наконечником; метод обеспечения кончик подвергаются провод будет зависеть от типа стадии образца, и здесь, она удерживается на месте неиспользуемые стадии регулировочным винтом.</li>
		<li>В качестве альтернативы и в зависимости от настройки контура заземления инструмента этапа Подключите катода свинца потенцио на стадии землю с помощью BNC кабель, как показано на рисунке 1.</li>
		<li>Выполните тест слаботочных шум, с помощью потенцио на постоянном токе. Применить текущие, с которой в situ Велоспорт должна выполняться и соблюдать точность и точность измерения тока. Примечание: С помощью конфигурации, описанной в 1.3.1, было достигнуто измеренное ток 1 ПА ± 0,1 ПА.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Аналогично создайте проводящие пути от кончика микроманипулятор для внешнего датчика, подключив анода свинца потенцио микроманипулятор, землю с помощью BNC кабель или Аллигатор клип, как показано на рисунке 1.<ol>
<li>Как шаг 1.3.3 тестирование слаботочных шума с помощью потенцио на постоянном токе. Примечание: Использование соединений, описанные в шаге 1.4, минимальный стабильный ток достигнут был 10 ± 1 Па Па, из-за незащищенных Сад, подключенных к микроманипулятор.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Лифт из Nanobattery
<ol><li>Загрузить образец в SEM/FIB камеры и насос до указанной системы высокого вакуума (≤10-5 мбар) перед включением электронного луча и ионного пучка изображений.</li>
	<li>Фокус электронного пучка на поверхность тонкой пленки батареи и определяют высоту eucentric с помощью стандартных SEM/FIB процедуры1.</li>
	<li>Наклон образца таким образом, что Ион луч нормали к поверхности батареи (здесь образец 52° наклона) и пополнить толстым слоем 1,5-2 мкм на хранение FIB металлоорганические платины на топ токоприемник тонкопленочные батареи с помощью ионного пучка ток около 0,3 НС d останавливаться время 200 НС на площади 25 x 2 мкм (рис. 2).</li>
	<li>Ионный луч напряжения равным 30 кв и ионного пучка продолжительность до 100 НС на оставшуюся часть экспериментальный протокол.</li>
	<li>Используйте-ступенчатый поперечного сечения FIB, фрезерные вариант, как это предусмотрено в программном обеспечении FIB, подвергать стек nanobattery вокруг Pt депозит, как ТЕА ламель подготовка1. Выберите фрезерования текущего ≤2.8 nA. Ввод мельница глубину, расширить по крайней мере 1 мкм под Активные тонкопленочные батареи (Z = 5 мкм, в этом случае), поперечное сечение ширина (X) 25 мкм и крест секционные высота (Y) 1,5 x Z (здесь, Y = 7,5 мкм). После этого, сечение батарея подвергается, рассматриваться в SEM (электронно-лучевые здесь, 52° от поверхности нормальных) как показано на рисунке 3. Примечание: Фактические фрезерованные глубина составляет тонкопленочные батареи зависит от.</li>
	<li>Использовать сечение очистки процедура, в программном обеспечении FIB, где ионного пучка постепенно растров ближе к очищаемой поверхности, ионного пучка текущего ≤0.3 nA счистить повторное хранение материала и четко подвергайте слоистую структуру ( Рисунок 3).</li>
	<li>Выполнить серию прямоугольник заместитель сокращений (также называемый J-порезы или U-образная резка) на стадии наклона 0 ° и пучка текущего ≤2.8 nA изолировать большинство nanobattery2. Заместитель сокращать, состоящий из i нижний прямоугольник 0.5 x 25 мкм ниже токоприемник Au на Al2O3 подложку, ii) вертикальный прямоугольник 0,5 мкм (X) и через nanobattery толщина (Y), и iii) вертикальный прямоугольник 0.5 мкм (X) и с высотой меньше толщины nanobattery (Y - 2,5 мкм), вокруг nanobattery Pt покрытием, как показано на рисунке 4. Эти три заместителя отрубы должны выполняться в параллельном режиме (одновременно молотые), для предотвращения повторного осаждения материала в регионах недостаточное вырезать.</li>
	<li>Вращать образец 180° и выполнять же горизонтальной подрывают как шаг 2,5. Это изолирует снизу и по бокам nanobattery за исключением оставшихся подключенных региона.</li>
	<li>Вращайте образец 180°. Вставьте микроманипулятор парк положение, указанное в программное обеспечение управления, а затем медленно довести его контакт с nanobattery, с помощью x-y-z движения программного обеспечения.</li>
	<li>Исправить микроманипулятор Pt регион поверх nanobattery, ионно лучевые напыления 0,5 мкм толщиной Pt, используя 30 кэВ ионного пучка с током 10 ПА на площади 2 x 1 мкм.</li>
	<li>Ион мельница оставшиеся подключен часть nanobattery пучком текущей вокруг 1 НС и поднять nanobattery вертикально с микроманипулятор (Рисунок 4b).</li>
	<li>Гора nanobattery на Cu FIB лифта вне сетки с 2 мкм толщиной ионно лучевые хранение Pt, используя 30 кэВ ионного пучка с током 0,28 nA над площадью 10 x 5 мкм.</li>
	<li>Ион мельница прочь связь между микроманипулятор и nanobattery с помощью 30 кэВ ионного пучка с током 0,28 nA над площадью 1 x 1 мкм на глубину до 2 мкм, оставляя автономных секция придает Cu сетки (рис. 5)1. Примечание: Cu лифта вне сетки обеспечивает плоское основание для крепления nanobattery, а также служа проводящего пути между сценой и nanobattery.</li>
</ol>3. Очистка и велосипедные Nanobattery
<ol><li>Наклоните образца таким образом, что Ион луч нормали к поверхности батареи и использовать поперечного сечения очистки процедура (см. шаг 2.4) чтобы удалить вновь депонируемого материала более широкий раздел 5 мкм nanobattery вблизи Cu сетки, ведущих к четкое представление отдельных слоев nanobattery(рисунок 6). Примечание: Повторно депонируемого материала из предыдущих шагов фрезы должны быть удалены из сетки смонтирован nanobattery подвергать электрохимически активные ядра nanobattery и предотвращения короткого замыкания.</li>
	<li>Депозит 500 Нм толщиной FIB-Pt, используя 30 кэВ пучка с током 0,1 НС на площади 1 x 2 мкм для создания электрического контакта между токоприемник катода и металлической сетки, которая электрически подключен к стадии (рис. 6b).</li>
	<li>Наклоните образца до 0° и, с помощью ионного пучка ток 1 nA, сделать прямоугольной вырезать 3 мкм широкий и достаточно глубоко (Z ~ 2 мкм) для полного удаления анода токоприемник и электролита, изолируя анода из Cu сетки (рис. 6c).</li>
	<li>Используйте процедуру очистки сечение (см. шаг 2.4) с ионного пучка, текущий вокруг 0.1 nA для удаления повторно депонируемого материала вокруг всех сторон сечения nanobattery, до тех пор, пока все отдельные слои отчетливо видны, как показано на рисунке 6 d.</li>
	<li>Вставьте микроманипулятор парк позицию и с помощью программного обеспечения управления, принести микроманипулятор контакт с Pt выше токоприемник анода. Ионный луч депозит 0,2 мкм толщиной Pt, используя 30 кэВ ионного пучка с током 10 ПА на площади 2 x 1 мкм «варить» соедините микроманипулятор и текущий сборщик ( рис. 6d)1.</li>
	<li>Запустите потенцио в гальваностатического режиме и Велоспорт. Текущие параметры, используемые зависеть конечная площадь поперечного сечения изготовлены nanobattery и желаемый C-курс, но будет обычно порядка нескольких nA. Мы выбираем заряда и разряда течений, таким образом, чтобы текущая плотность составляет порядка десятков МКА/см2. Для LiCoO2-основе тонкопленочные батареи, диапазон напряжений является 2.0 и 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>

У нас есть ничего не разглашать.

Как показали наши результаты, метод, описанный производит электрохимически активные nanobatteries, поднял от больших тонкопленочные батареи. Такие методы позволили в situ и ex situ характеристике стволовых/EELS похоронили интерфейсов, galvanostatically, стабилизатор nanobattery. Это позволяет беспрецедентным разрешением характеристика количественных химических явлений, связанных с электрохимической состояния заряда. Однако для достижения этих результатов, необходимо преодолеть ряд конкретных препятствий.
Перед началом обработки FIB, постоянные текущие испытания должны проводиться для обеспечения того, чтобы электрические пути малошумящие на катод и анод nanobattery. Катод стороне тестирование может выполняться с камерой FIB вентилируемые. Перед накачкой вниз палате для изготовления nanobattery, положительный полюс должен быть подключен как будто выполнение эксперимента (либо через вакуума проходной или этап земли), и негативные терминал подключен непосредственно к стадии. Обратите внимание, что при использовании сенсорного сигнала как этап подключения, возможность касания будильник инструмента может быть отключена, и соединение должно быть совершено только при необходимости без дальнейшего наклона на стадии. Однако здесь тест потребует от системы, чтобы быть под вакуумом, и ток будет проходить через микроманипулятор и стадии цепи. Микроманипулятор могут быть электрически придерживаться с Pt медные Грид для постоянного шума испытания. Если текущие вопросы резолюции сохраняются, обратитесь к поставщику для получения информации о том, как отделить сцену из системы земли.
Для этого метода работы важно использовать предоставленный ионного пучка спецификации для сведения к минимуму ущерба ЛИПОН твердого электролита. ЛИПОН очень чувствительна к длительного воздействия (i) влажных атмосферных условий, (ii) электронно-лучевые и (iii) ионных пучков. Поэтому процесс изготовления твердотельных nanobattery требует минимизации воздействия для всех трех этих условий. До и после изготовления воздействия атмосферных условий должно быть абсолютно сведено к минимуму. В situ FIB Велоспорт процесс описанный был разработан как решение для сведения к минимуму этого воздействия. Во время и после изготовления, электронно-лучевые изображений должно быть ограничено, поскольку он наносит ущерб твердого электролита. Аналогичным образом, Ион луч изображений также должно быть ограничено, чтобы избежать деградации электролита и других активных компонентов, а также. Конкретные фрезерования файлы и время основаны на оборудование, изложенные в таблице материалов/оборудования для конкретных реагентов, оборудования и производителей; Это может варьироваться между FIB инструментов, и изменения может потребоваться при использовании другого инструмента.
Всех параметров в FIB изготовления nanobattery наиболее важных соображения являются использование ближнего света текущего и время задержки для сведения к минимуму ущерба14. Всякий раз, когда требуется, изображений производится с электронами в низкой пиксель раз останавливаться и ионных пучков на нижней ток пучка (обычно в ПА) и низкая продолжительность (100 нс). Большую часть времени, высокая останавливаться время электронно-лучевой обработки изображений производит видимых изменений на ЛИПОН электролита. Рисунок 7 показывает, неповрежденные ЛИПОН и дальнейшей обработки изображений с электронно-лучевой индуцирует повреждение ЛИПОН слой как показано на рисунке 7b. Этот ущерб является необратимым, приводящие к изменению контраста и сделает nanobattery электрохимически неактивным.
Для электрохимических Велоспорт, надлежащего ухода необходимо предпринять дальнейшие правильно сделать электрического контакта между токоприемник катода и сетка (Рисунок 6b). Точно так же важно поддерживать контакт микроманипулятор к аноду (рис. 6); Как видно на рисунке 8, около 150 s, Спайк в электрохимических данных соответствует вибрации индуцированной контакта проблема с анода. Учитывая потенциал нестабильности микроманипулятор анодного контакта, на месте тестирования время сводится к минимуму, ограничивая возможности nanobattery, в свою очередь сократить время зарядки.
Если напряжение профиль не согласуется с тонкой пленки батареи, очистки процедура повторяется как вероятно некоторые повторного осаждения, вызывая короткое вопросов (Рисунок 10). Шаг изоляции анода в частности является большим источником повторно депонируемого материала. Эта процедура чистки уменьшается nanobattery сечения, поэтому плотность тока должно быть исправлено соответствующим образом. Он отмечает, что Ион луч ущерб нельзя полностью избежать и оно ограничивается между несколько Нм до максимум 25 Нм в поверхность, рассчитывается от моделирования рассеяния ионов СРИМ программа для 30 кэВ Ga+ в электродных материалов18. Низкие энергии переработка может уменьшить ущерб в значительной степени19. FIB процесс продемонстрировал здесь является уникальным, и изготовление, манипуляции и на месте тестирования наноустройства включена по БМУ-SEM двулучевая систем. Это позволяет расширить процесс для любых других батарей химия и других устройств наноразмерных.
Важно отметить, что конкретные параметры, указанные в настоящем Протоколе не могут передавать непосредственно также альтернативные электрохимических систем. ЛИПОН преисполнена решимости быть чувствительным к тепловые эффекты от ионного пучка при высокой скорости сканирования. Однако другие электролитов могут страдать от других особенностей. Аналогичным образом хотя материал система опробована в настоящем Протоколе, показал хорошие электрохимии после фрезерования Ион Ga+ , другие материалы системы могут быть более восприимчивы к Ион классовыми и имплантации. Таким образом больше изучение пространства параметров может потребоваться для альтернативных систем материалов. Более чувствительные материалы, такие как сульфиды может выполнять плохо после фрезерования Ион, хотя эта область исследований в значительной степени неизученными с передовых характеристик методами. Реально эти параметры будут преобразованы в наиболее материальных систем, представляющих интерес, как современные твердых электролитах обычно кристаллических и более надежной, чем ЛИПОН. Несмотря на эти потенциальные ограничения метод будет применяться для новых систем материалов, предлагая возможность обнаружить альтернативные межфазные явления, в конечном счете расчехлять импеданс механизмов. Естественным продолжением эта техника является наблюдение за электрохимические Велоспорт в ТЕА. Это была выполнена по системе указанных в настоящем Протоколе и обнаружили ранее невиданные поведение на этих интерфейсов. Этот метод позволит наблюдения альтернативных форм сопротивления.

Основное внимание иона аннекса балки (FIB) были использованы главным образом для передачи электронной микроскопии (ТЕА) Подготовка образца и цепи, редактирование1,2. Нанопроизводства с помощью FIB продвинулась значительно в течение последних двух десятилетий с много внимания на полупроводниковые материалы3. Несмотря на его важность для достижения науки основные проблемы с методами FIB остаются, включая повреждения поверхности, повторного осаждения и преференциальных распыления из-за высокой плотности тока4,5. Там было несколько статей на FIB повреждения сыпучих материалов в ходе подготовки образцов ТЕА и несколько методов, чтобы уменьшить этот ущерб были предлагаемые6,,78,9. Однако по-прежнему ограничен FIB изготовление активных устройств, которые состоят из нескольких слоев с различными функциональными возможностями.
Для твердотельных устройств, особенно в области хранения энергии интерфейсы играют решающую роль, и интерфейс твердого тела чаще всего рассматривается как доминирующим источником импеданс10. Эти интерфейсы являются особенно трудно охарактеризовать, обусловлено сочетанием их похоронили природы и свертка данных при наличии нескольких интерфейсов в одном устройстве. Изготовление полностью твердотельный nanobatteries имеет решающее значение для зонда и понимать динамичный характер этих интерфейсов, которые в конечном итоге воздействие электрохимические процессы в батареях. Тонкопленочные батареи на основе лития фосфор нановолокно (LiPON) были продемонстрированы более чем два десятилетия назад и в настоящее время коммерциализированной11. Хотя FIB изготовление электрохимически активные nanobatteries из тонкой пленки батарея имеет решающее значение для включения в situ оценки интерфейсов, большинство попыток изготовить nanobatteries с помощью FIB сбой сохранять электрохимический активности из-за короткое замыкание12. Первоначальные попытки в in situ Велоспорт разбавлять только небольшая часть nanobattery, соблюдать лития распределения электронов голографии13.
Более поздние работы продемонстрировал успешное изготовление FIB электрохимически активные nanobatteries, что позволило как ex situ , так и на месте сканирование просвечивающей электронной микроскопии (STEM) и энергии электрона потери спектроскопии ( УГРИ) Характеристика межфазные явления14,15. Важные параметры изготовления FIB, которые помогают сохранить электрохимическую активность указали, Santhanagopalan и др. 14и подробный протокол представлен в этой рукописи. Эта процедура основана на модели LiCoO2/LiPON/a-Si батареи, но в конечном счете позволят изучение дальнейших тонкопленочные батареи химия.

<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

Твердотельные электролиты перспективным замена для текущего органических жидких электролитов, позволяя более высокой плотности энергии и повышение безопасности литий ионных (Li-ion) аккумуляторов. Однако ряд неудач препятствует их интеграции в коммерческие устройства. Основным ограничивающим фактором является благодаря наномасштабные явления, происходящие на электрод/электролит интерфейсы, в конечном счете ведет к деградации работы от батарей. Эти ключевые проблемы, весьма сложно наблюдать и характеризуют как эти батареи содержат несколько похоронены интерфейсов. Один из подходов для непосредственного наблюдения межфазные явления в тонкопленочные батареи является изготовление электрохимически активные nanobatteries путем целенаправленного ионного пучка (FIB). Таким образом надежный метод для изготовления nanobatteries разработан и продемонстрирован в недавней работе. Здесь чтобы включить воспроизведение этого процесса изготовления nanobattery представлен подробный протокол с поэтапным процессом. В частности этот метод был применен к тонкой пленки батареи, состоящие из LiCoO2/LiPON/a-Si и далее было ранее продемонстрировано в situ Велоспорт в пределах просвечивающий электронный микроскоп.

Представитель твердотельных Li-ion nanobattery изготовление процесс показан шаг за шагом в протоколе, ссылки на рисунки 1-7.
На рисунке 8 показана на месте тестирования электрохимических зарядки профилей двух ячеек, которые были сфабрикованы. Оба профиля ясно показывают 3.6 V плато, соответствующий LiCoO2-Si полное клеток химии и окисления Co3 + → Co4 +. Клеток-1 (рис. 8) был испытан на более низкую плотность тока (50 мкА/см2) ограничение емкости заряда до 12,5 µAh/см2. Cell-2 (Рисунок 8b) представляет профиль зарядки на более высокой плотности тока, 1,25 мА/см2, , было ограничено верхней отключения напряжения 4.2 V. Способность Записанная был около 105 µAh/см2, недалеко от теоретического потенциала клеток-2 (110-120 µAh/см2). Первый пропускная nanobatteries был бедным, в то время как возможности последующего цикла (заряда и разряда) были ограничены из-за первого цикла необратимости. До сих пор не оптимизирован процесс разгрузки nanobatteries, однако, представитель заряда разряда профиль на плотность тока 60 МКА/см2 представлена на рисунке 9. Емкости заряда была ограничена 30 мин и разряд был ограничен 2 V, и очевидно, что обратимость составляет около 35%. Хотя обратимость гораздо лучше, чем то, что сообщается в литературе14, оптимизация необходим дальнейший.
Если напряжение профиль не согласуется с тонкой пленки аккумулятор химии, это скорее всего из-за повреждения либо луч или короткое от повторного депонируемого материала. На рисунке 10 показано напряжения профиль согласуется с замыканием, где напряжение постоянного и пропорциональна прикладного тока. Ионно лучевое изображение подтверждает, что повторно депонируемого материала вдоль края. Микроманипулятор должны быть удалены, и необходимы дальнейшие поперечного сечения очистки шаги для удаления этого материала. Эта процедура чистки уменьшается nanobattery сечения, поэтому плотность тока должно быть исправлено соответствующим образом.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig1.jpg"> Рисунок 1 : Электрическое подключение схематический. Блочный потенцио подключен к FIB nanobattery через внешние соединения: 1) негативные терминал потенцио отключенных землю микроманипулятор иглы; 2 катод сторону либо электрически экранированный вакуума проходной или прямое подключение к стадии землю как прикосновение сигнализации цепи (как показано). Внутренние соединения между кончиком микроманипулятор и анода, а между катодом и стадии через сетку Лифт из меди ТЕА. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig2.jpg"> Рисунок 2 : Осаждение Pt. SEM изображение Pt защитный колпачок на хранение на поверхности батареи тонкой пленки, чтобы избежать ущерба и создание контакта. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig3.jpg"> Рисунок 3 : Сечение Nanobattery. SEM образы nanobattery ламели после поперечного резки () 52 ° поперечной вид и вид сверху (b) и 0 °. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> 
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig4.jpg"> Рисунок 4 : Nanobattery liftout. Ионно лучевые изображения () ламели с недостаточной вырезать и (b) лифта из изолированных nanobattery по микроманипулятор. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> 
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig5.jpg"> Рисунок 5 : Монтаж Nanobattery. (a) ионно лучевые и (b) изображение SEM сварки поднял nanobattery к сетке меди ТЕА. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> 
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig6.jpg"> Рисунок 6 : Очистка Nanobattery. Ионно лучевые изображения () один из nanobattery сечения, (b) электрически соединения сетки и катод токоприемник осаждением Pt, (c) вырезать изолировать анод из сетки ТЕА и (d) Очистка Очистка Поперечный разрез спереди, сзади, и стороны, чтобы удалить все заново депонируемого материала. Последний контакт с анодом, используя микроманипулятор для смещения. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig6large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> 
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig7.jpg"> Рисунок 7 : Ущерб Nanobattery. SEM изображения nanobattery сечения с () неповрежденных ЛИПОН слой и (b) изображений на увеличение индуцированных повреждений в слое ЛИПОН обозначен круг. Высокая останавливаться время электронно-лучевой визуализации производит видимых изменений в электролите ЛИПОН. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig7large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> 
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig8.jpg"> Рисунок 8 : Nanobattery зарядки данных. FIB сфабрикованы nanobattery электрохимических зарядки профиль при различных плотностях тока с (a) способность ограничена 12,5 µAh/см2 и (b) напряжение ограничивается 4,2 V отсечения. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig8large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a> 
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig9.jpg"> Рисунок 9 : Велоспорт профиль Nanobattery. FIB сфабрикованы nanobattery электрохимических зарядки и разрядки профилей на плотность тока 60 МКА/см2. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig9large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56259/56259fig10.jpg"> Рисунок 10 : Shorted nanobattery. () напряжение профиль nanobattery, которые не были очищены надлежащим образом результате замыкания от повторного депонируемого материала и (b) крест секционная ионно лучевое изображение. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56259/56259fig10large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</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

Протокол для изготовления электрохимически активных на основе ЛИПОН твердотельных литий ионный nanobatteries, с помощью целенаправленного ионного пучка представлен.

Целенаправленные Ион луч изготовление Nanobatteries ЛИПОН основе твердотельных литий ионный на месте тестирования

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

Строительство и испытания монет клетки литий-ионных батарей

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

Твердотельные привитой сополимер электролитов для литиевых аккумуляторов Приложения

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

Изготовление VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Воздушные ячейки для электрохимической Тестирование

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

Характеристика электродных материалов для литий-ионных и натрия-ионных аккумуляторов с использованием методов синхротронного излучения

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

В Ситу нейтронной порошковой дифракции Использование пользовательских производства литий-ионных батарей

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

Видообразования и биодоступности Измерения окружающей среды плутонием диффузия в тонких пленках

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

Токопроводящее Изготовление, используя технику сфокусированного ионного пучка и характеристик для Электрические слоя полупроводниковых наноструктур

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

Номера для водного Обработка электрода и строительство литий-ионный монет клеток

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

Подготовка клетки тремя электродами монет и электроосаждение аналитика для литий ионных батарей

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

Подготовка изотопно Чистый 229Th Ion Луч для исследований 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 ...