“移动”的锂离子—XPS深度剖析

岛津中国

2019.10.11

导读

随着智能化社会的来临，各种电子器件越来越偏向于微型化，为满足在微型器件领域的供电需求，全固态薄膜锂电池作为一种安全、可靠的微能源器件越来越受到学术界和产业界的重视，被认为是解决微电子机械系统电源供应的最有发展潜力的微电池之一。锂磷氮氧（LiPON）由于其低电子传导性、强循环耐久性和易于制备等特点而被广泛用作固态电解质薄膜材料。

XPS（X射线光电子能谱）技术作为一种表面分析手段，在锂电池领域得到了广泛的应用。XPS结合氩离子枪深度剖析技术可以实现电极、SEI膜（固体电解质界面膜）等材料纵向分布的信息探测。那么问题来了，是否任何氩离子枪刻蚀模式都适用于锂电池材料的深度剖析呢？

岛津X射线光电子能谱仪（AxisSupra）

岛津应对

参考常规制备薄膜电池的方法

本实验将~50nm LiPON沉积于Si基质（为了便于结果对比，此处将Li替换为Si）上，分别采用岛津AxisSupra仪器配备的VI型多模式离子枪的5keV Ar⁺与20keV Ar1000⁺两种模式进行刻蚀深度剖析，通过XPS测试得到的不同元素相对含量变化来说明不同氩离子模式刻蚀的效果。结果见下图：

分别采用5keV Ar⁺与20keV Ar1000⁺刻蚀模式时的深度剖析结果

由以上结果可知

在两种对比刻蚀模式下，除了Li元素之外，其余元素相对含量变化趋势基本相同。当采用单氩Ar⁺模式时，5-30nm范围内，Li元素相对占比基本维持在~25%，刻蚀至接近Si基质层时，Li元素相对占比达到最大值~44%后迅速降低，说明Si基质表面存在Li元素的堆积现象；而当采用团簇Ar1000⁺模式时，5-45nm范围内，Li元素占比基本维持在~31%，高于单氩模式刻蚀结果，到达Si基质层后迅速降低，未发现Li元素的堆积现象。Li元素对比结果如下图所示。

5 keV Ar⁺（黑线）与20keV Ar1000⁺（红线）刻蚀模式时Li元素含量结果对比

出现上述不同现象的原因是什么呢？

经过分析可知，单氩模式进行刻蚀时易在材料表面发生氩离子注入，导致样品表面正电荷累积，同电荷相斥会导致带正电荷的Li⁺向体相迁移（如下图），但由于Li⁺无法迁移进入Si基质层，因此出现了Li元素含量在表层偏低，接近Si基质层时突然升高后又继续降低的假象，而采用团簇刻蚀模式便可以很好的避免此问题。

同电荷相斥——单氩模式导致Li⁺迁移

小结

岛津Axis Supra具备全自动传样系统，样品预抽时便可进行目标测试位置选择与方法提交。可选配VI型多模式离子枪，提交自动程序方法包便可实现不同模式下的深度剖析。低能团簇模式适用于常规有机物的刻蚀分析，20 keV最大团簇能量可以保证无机材料的有效分析，可消除单氩刻蚀条件下“移动”的锂离子带给您的困扰。

撰稿人：崔园园