その場でテスト用 LiPON ベース固体リチウム イオン Nanobatteries の集束イオンビーム ビーム加工

1. サンプルとシステムの準備 Al2O3基板 (500 μ m 厚)、金陰極電流コレクターから成る完全な薄膜バッテリーを達成 (100-150 nm の厚さ, DC スパッタ) LiCoO2カソード (2 μ m 厚い、RF スパッタ) LiPON 電解質 (1 μ m 厚い、RFスパッタ)、非晶質シリコン陽極 (80 nm の厚さ, RF スパッタ)、および銅アノード電流コレクター (100 nm、DC スパッタ)16,17。 25 mm 径アルミ SEM スタブに完全な薄膜バッテリーをマウントし、電気の充電効果を最小限に抑えるために SEM スタブを陰極電流コレクターに接続に銅テープを使用します。 チャンバーを真空排気する前に、nanobattery にマウントすると (図 1) 陰極に導電性経路となる銅グリッドに低騒音電気経路が存在するを確認します。 カソードのリード接続シールド電気フィードスルーを通してステージに搭載した電子ビーム誘起適切な接続タイプの電流 (EBIC) 測定のために存在は。内部的には、露出のヒント; とシールド線を舞台に、フィードスルーを接続します。露出されたワイヤーの先端を保護する方法、サンプル ステージ タイプに依存し、未使用のステージ セット スクリューによって場所で、ここで開催されました。 またと楽器のステージの接地回路の構成によっては、BNC ケーブルを使用して、図 1に示すように、ステージの地面に、ポテンシオスタットの正極リードを接続します。 低電流ノイズを定電流モードで、ポテンシオスタットを使用してテストを実行します。その場でサイクリングが行われるべき電流を適用し、精度と現在の測定の精度を確認します。注: は、1.3.1 で説明されている構成を使用して、1 pA ± 0.1 pA の測定電流を実現しました。 プローブの外側にマニピュレーター先端から BNC ケーブルまたは図 1で示すように、ワニ口クリップを使用して地上マイクロマニピュレーターに、ポテンシオスタットの負極リードを接続することによって導電性経路を作成する同様に。 1.3.3 の手順、ポテンシオスタットを使用して定電流モードで低電流ノイズのテストを実行します。マイクロマニピュレーターに接続されているシールドされていない事由、10 pA ± 1 pA メモ: は、1.4 の手順に従って接続を使用して、最小の安定した電流を達成だった 2. リフト アウト、Nanobattery の SEM/FIB 室とポンプ システム指定した高真空 (≤10-5 mbar) までに電子を回す前にサンプルをロード ビームとイオン線ビームによるイメージング。 薄膜バッテリーの表面に電子ビームを集中し、標準的な SEM/FIB 手順1を使用してユーセン トリック高さを決定します。 イオンビームがバッテリー面に垂直になるようにサンプルを傾斜 (ここで 52 ° サンプル傾斜)、0.3 nA 周辺のイオン ビーム電流を用いた薄膜電池の上の現在のコレクターに FIB 堆積有機金属プラチナの 1.5 から 2 μ m 厚い層を預けると、d の滞在時間 200 μ m 25 × 2 (図 2) の面積に ns。 イオン ビーム電圧 100 に 30 kV とイオン ビーム滞留時間を設定実験的プロトコルの残りのための ns。 ステップ パターンの断面 FIB 加工オプション、FIB ソフトウェアで提供されるを使用して Pt 預金 TEM 薄板準備1と同様に周りの nanobattery スタックを公開します。加工現在 ≤2.8 を選択 na というアクティブな薄膜バッテリーの下の少なくとも 1 μ m を拡張するミル深さを入力 (Z 5 μ m をこの場合 =)、25 μ m と 1.5 の十字断面高さ (Y) の断面幅 (X) Z x (ここで、Y = 7.5 μ m)。SEM で表示できる、バッテリー断面の露出、その後 (ここでは、電子ビームはサーフェス法線から 52 °)図 3のように。注: 実際の切削深さは、薄膜バッテリーに依存です。 どこイオン ビーム増分、洗浄する表面に近いラスターは、FIB ソフトウェアのイオン ビームの現在 ≤0.3 をきれいに nA 再蒸着材料と層状構造 (を明確に公開提供断面のクリーニング手順を使用します。図 3)。 四角形アンダー カット (J カットまたは U カットとも呼ばれます) の 0 ° の段階の傾きでのシリーズを実行し、現在の ≤2.8 をビーム nanobattery2の大半を分離するナ。Ii である Al2O3基板上に Au の現在のコレクターの下 i)、下の四角形 0.5 x 25 μ m から成るアンダー カット)、垂直長方形 0.5 μ m 幅 (X) と nanobattery 厚 (Y)、および iii の全体を通して) 縦の四角形0.5 μ m 幅 (X) と周りと同様に図 4、Pt コート nanobattery nanobattery 厚 (Y – 2.5 μ m) 未満の高さ。これら 3 つのアンダー カットは、アンダー カット領域内で材料の再沈着を防ぐために (同時に粉砕)、パラレル モードで実行必要があります。 サンプル 180 ° を回転させ、同じ水平方向ステップ 2.5 のようにアンダー カットを実行します。これは、底と残りの連結領域を除いて nanobattery の側面を分離します。 サンプル 180 ° を回転させます。制御ソフトウェアに指定された公園の位置にマイクロマニピュレーターを挿入し、ゆっくりとソフトウェアの x ・ y ・ z の動きを使用する nanobattery と接触してそれを持って来る。 イオンビーム堆積 0.5 μ m で、nanobattery の上に Pt 領域にマニピュレーターを修正 2 x 1 μ m の領域に 10 pA の電流 30 keV のイオン ビームを使用して厚盛り。 残りのイオン ・ ミルは、電流 1 nA とマイクロマニピュレーター (図 4b) と垂直 nanobattery を上げるの周りに、nanobattery の部分を接続します。 マウント 2 μ m 厚いイオンビームと Cu FIB リフト アウト グリッド上 nanobattery Pt 30 keV のイオン ビーム 0.28 na 電流を用いた 10 x 5 μ m の領域の上を堆積させた。 イオン ・ ミル離れてマイクロマニピュレーターと 0.28 na 電流 30 keV のイオン ビームを使用して独立したセクションを残して、2 μ m の深さに 1 x 1 μ m の領域に nanobattery 間の接続は、銅グリッド (図 5)1に接続。注: Cu リフト アウト グリッドは、ステージと、nanobattery の間の導電性経路として役立つことと同様、nanobattery をマウントのフラット ベースを提供します。 3. 清掃や、Nanobattery をサイクリング イオンビームがバッテリー面に垂直になるようにサンプルを傾斜して断面クリーニング手順を実行 (手順 2.4 参照) の個々 の層のクリアな視界につながる、Cu 電極近傍の nanobattery の 5 μ m の広いセクションに再堆積した材料を除去するには(図 6、) nanobattery。注: 以前のミリング ステップから再堆積材料は、nanobattery の電気化学的活性のコアを公開し、短絡を防ぐためにグリッドに取り付けられた nanobattery から削除する必要があります。 デポジット 500 nm 厚 FIB Pt カソード電流コレクターとステージ (図 6b) に電気的に接続されている金属製のグリッド間の電気接触を作成する 1 x 2 μ m の領域に 0.1 na 電流 30 keV ビームを使用しています。 チルト 0 ° にサンプルと、ビーム電流 1 na イオンを用いる、3 μ m 幅と十分な深さをカット長方形を作る (Z 〜 2 μ m) 負極集電と電解質、Cu グリッド (図 6c) から陽極の分離を完全に削除します。 断面の清掃手順 (手順 2.4 参照) 個々 のすべてのレイヤーが図 6に示すように、はっきりと表示されるまで再堆積される材料が nanobattery 断面のすべての辺を削除する 0.1 nA の周り現在イオンビームとd。 公園の位置にマイクロマニピュレーターを挿入し、アノード電流コレクター上 Pt との接触マイクロマニピュレーターをもたらす制御ソフトウェアを使用する。イオン ビーム預金 0.2 μ m 厚いマイクロマニピュレーターと現在のコレクター (図 6d)1Pt「溶接」する 2 x 1 μ m 領域に 10 pA の電流 30 keV のイオン ビームを使用してに接続します。 定電流サイクリング モードで、ポテンシオスタットを実行します。使用される現在のパラメーター作製した nanobattery と希望 C 率は、究極の断面積によって異なりますが、一般に数 na という順序になります我々 は料金を選択し、電流密度が数十 μ A/cm2程度になるように電流を放電します。LiCoO2-ベースの薄膜電池の電圧範囲は 2.0 と 4.2 V。