Fabrication de faisceau ionique focalisé de Lithium-ion à l’état solide axée sur les LiPON micro-batterie pour In Situ essais

1. préparation de l’échantillon et système Atteindre une batterie complète de film mince consistant en un Al2O3 substrat (500 µm d’épaisseur), un collecteur de courant de cathode dorée (100-150 nm d’épaisseur, DC ratés), une cathode de2 LiCoO (2 µm d’épaisseur, RF ratés), un électrolyte LiPON (1 µm d’épaisseur, RF métallisée), une anode de silicium amorphe (80 nm d’épaisseur, RF ratés) et un collecteur de courant anode de Cu (100 nm, DC pulvérisée)16,17. Monter une batterie complète de couche mince sur une ébauche de SEM d’aluminium de 25 mm de diamètre et utilisez une bande de cuivre pour raccorder le collecteur de courant de cathode vers le stub SEM pour minimiser les effets de charge. Avant le pompage vers le bas de la chambre, confirmer qu’une voie électrique silencieux existe à la grille en cuivre, que le nanobattery sera monté sur et servira la voie conductrice à la cathode (Figure 1). Connectez le câble de la cathode à la scène par une traversée électrique blindée, comme est présente dans les systèmes de doter de faisceau d’électrons induits par les mesures de courant (FEMC) avec le type de connexion approprié. En interne, connecter la traversée à la scène avec un câble blindé avec une pointe exposée ; le procédé de fixation de l’extrémité de fil dénudé dépendra de l’exemple de type de scène, et, ici, il est maintenu en place par une vis de réglage de scène inutilisés. Alternativement et selon la configuration du circuit à la terre de phase de l’instrument, connectez le fil de la cathode de la potentiostat sur le sol de la scène à l’aide d’un câble BNC tel qu’illustré à la Figure 1. Effectuez le test de bruit faible courant en utilisant le potentiostat en mode courant constant. Appliquer le courant avec lequel sur place vélo doit être effectuée et observer l’exactitude et la précision du courant mesuré.Remarque : L’utilisation de la configuration décrite à l’alinéa 1.3.1, un courant mesuré de 1 pA ± 0,1 pA a été atteint. De même, créer une voie conductrice de la pointe de micromanipulateur à l’extérieur de la sonde en branchant le fil d’anode de la potentiostat sur le micromanipulateur au sol à l’aide d’un câble BNC ou une pince crocodile, comme illustré à la Figure 1. Comme au point 1.3.3, effectuez le test de bruit faible courant en utilisant le potentiostat en mode courant constant.Remarque : En utilisant les connexions décrites à l’étape 1.4, le courant stable minimal atteint était 10 panzu ± 1, en raison de motifs non blindés connecté au micromanipulateur. 2. lift-out de la Nanobattery Charger l’échantillon dans la chambre de SEM/FIB et la pompe vers le bas pour système spécifié sous vide poussé (≤10-5 mbar) avant d’allumer l’électron faisceau et ion beam imaging. Concentrer le faisceau d’électrons sur la surface de piles minces et déterminer la hauteur d’eucentric à l’aide de procédures standard SEM/FIB1. Inclinaison de l’échantillon telle que le faisceau d’ions est perpendiculaire à la surface de la batterie (ici exemple de 52° d’inclinaison) et déposer une couche épaisse de 1,5 à 2 µm de platine organométallique FIB-déposés sur le collecteur de courant supérieur de la batterie de minces à l’aide d’un courant de faisceau ionique d’autour de 0,3 nA un d habiter le temps de 200 ns sur une superficie de 25 x 2 µm (Figure 2). La valeur de tension de faisceau d’ions à 30 kV et ion beam temporisation à 100 ns pour le reste du protocole expérimental. Utiliser un FIB transversale étape-modèle fraisage d’option, tel que prévu dans le logiciel de la FIB, pour exposer la pile nanobattery autour du Pt-dépôt, comme dans TEM lamelle préparation1. Sélectionnez un ≤2.8 actuel de fraisage na. Entrée d’une profondeur de moulin qui s’étend au moins 1 µm sous la pile de film mince actif (Z = 5 µm dans ce cas), une largeur de coupe transversale (X) de 25 µm et une hauteur de coupe croisée (Y) de 1,5 x Z (ici, Y = 7,5 µm). Par la suite, la section transversale de batterie est exposée, pour être vu en SEM (ici, le faisceau d’électrons est de 52° à la surface normale) comme sur la Figure 3.NOTE : La profondeur réelle blanchie est mince batterie dépendant. Utiliser une procédure de nettoyage de coupe transversale, fournis dans le logiciel de la FIB, où l’ion beam progressivement rasters plus près de la surface à nettoyer, avec un faisceau ionique actuel ≤0, 3 nA pour enlever du matériel re-déposé et exposer clairement la structure en couches ( Figure 3). Effectuer une série de coupes sous rectangle (également appelé J-coupures ou U-coupes) à une inclinaison de phase de 0 ° et faisceau actuel ≤2.8 nA pour isoler la majorité des nanobattery2. Faire des coupes moins consistant en i) un µm rectangle 0,5 x 25 inférieur sous le collecteur de courant sur l’Al2O3 support ii) un rectangle vertical 0,5 µm de largeur (X) et par le biais de la totalité de l’épaisseur de nanobattery (Y) et iii) un rectangle vertical 0,5 µm de largeur (X) et d’une hauteur inférieure à l’épaisseur de la nanobattery (Y – 2,5 µm) autour de la nanobattery Pt-enduit comme dans la Figure 4a. Ces trois incisions sous doivent être effectuées en mode parallèle (simultanément broyé), pour éviter la redéposition de matériel dans les régions de la sous-coupe. Faire tourner l’échantillon de 180° et effectuez l’horizontale même inférieurs comme au point 2.5. Ceci isole le fond et les côtés de la nanobattery à l’exception de la région reste connectée. Faire tourner l’échantillon de 180°. Insérez le micromanipulateur à la position spécifiée dans le logiciel de contrôle, puis redresser doucement l’outil au contact de la nanobattery à l’aide du mouvement x-y-z du logiciel. Difficulté le micromanipulateur dans la région de Pt sur le dessus de la nanobattery par faisceau d’ions du dépôt 0,5 µm Pt épaisse à l’aide d’un faisceau d’ions 30 keV avec un courant de 10 pA sur une superficie de 2 x 1 µm. Moulin de ion le restant connecté portion de la nanobattery avec un faisceau actuel autour 1 nA et relance le nanobattery verticalement avec le micromanipulateur (Figure 4b). Mont le nanobattery sur une grille de levage Cu FIB avec 2 µm épais faisceau ionique déposés Pt à l’aide d’un faisceau d’ions 30 keV avec un courant de 0,28 nA sur une superficie de 10 x 5 µm. Moulin de ion loin la connexion entre le micromanipulateur et nanobattery à l’aide d’un faisceau d’ions 30 keV avec un courant de 0,28 nA sur une superficie de 1 x 1 µm jusqu’à une profondeur de 2 µm, laissant une section autonome attachée à la grille Cu (Figure 5)1.Remarque : La grille de levage Cu fournit une base plate pour la nanobattery de montage mais aussi agissant comme une voie conductrice entre la scène et le nanobattery. 3. nettoyage et cyclisme le Nanobattery Inclinaison de l’échantillon telle que le faisceau d’ions est perpendiculaire à la surface de la batterie et utiliser une procédure de nettoyage transversale (voir étape 2,4) pour enlever le matériel re-déposé sur une section de largeur de 5 µm de la nanobattery près de la grille de Cu, conduisant à une vision claire des différentes couches du le nanobattery (Figure 6a).Remarque : Le matériel re-déposé des étapes précédentes de fraisage doit être supprimé de la grille-monté nanobattery pour exposer le noyau électrochimiquement actif de la nanobattery et d’éviter les courts-circuits. Déposez 500 nm épais FIB-Pt, en utilisant un faisceau de keV 30 avec un courant de 0,1 nA sur une superficie de 1 x 2 µm pour créer un contact électrique entre le collecteur de courant de cathode et la grille métallique, qui est reliée électriquement à l’étape (Figure 6b). L’échantillon à 0° d’inclinaison, et, à l’aide d’un ion beam actuel de 1 nA, faire une forme rectangulaire coupe 3 µm de large et assez profond (Z ~ 2 µm) pour supprimer complètement le collecteur de courant anode et électrolyte, isoler l’anode de la grille de Cu (Figure 6c). Utilisez la méthode de nettoyage de la section transversale (voir étape 2,4) avec un faisceau d’ions actuel autour de 0,1 nA pour enlever le matériel re-déposé autour de tous les côtés de la section transversale de nanobattery jusqu’à ce que tous les calques individuels sont distinctement visibles tel qu’illustré à la Figure 6 d. Insérez le micromanipulateur à la position de stationnement et, en utilisant le logiciel de commande, amener le micromanipulateur en contact avec le Pt au-dessus du collecteur de courant anode. Ion beam dépôt 0,2 µm d’épaisseur Pt en utilisant un faisceau d’ions 30 keV avec un courant de 10 pA sur une superficie de 2 x 1 µm à « souder » connecter le micromanipulateur et courant collecteur ( Figure 6d)1. Exécutez le potentiostat en mode cyclisme galvanostatique. Paramètres actuels utilisés dépendent de la section transversale ultime du nanobattery fabriqué et C-taux souhaité, mais seront généralement l’ordre de quelques na. Nous sélectionnons charge et décharge des courants tels que la densité de courant est de l’ordre des dizaines de µA/cm2. Pour LiCoO2-batteries basés minces, la gamme de tension est 2.0 et 4,2 V.