案例研究DataCube AFM扫描电容显微术

本文是系列文章的第二篇小说nanoelectrical成像技术超越2 d地图,并产生一个相关的纳米机械电气DataCube DataCube和全面。

案例研究:DataCube隧道AFM (DCUBE-TUNA)锂离子电池阴极

复杂的相互关联的现象导致电池失效,这取决于电池设计、环境、化学、和真正的操作条件。因此,研究组件级别所需的推断,增强,调节电池的性能和寿命。AFM已被证明是一个健壮的工具对电池组件的研究。然而,材料的存在明确的力学特性,从松散(导亚博网站下载电添加剂),软(聚合物添加剂),多孔(分隔符),李(金属氧化物)的表面,和高表面形貌的差异,会造成困难,contact-based扫描模式由于高正常剪切力和成像的本质力量。

在这方面,利用表面模式比接触模式映射,但大多数nanoelectrical描述是基于样本和固体之间的接触。在最近的过去,PeakForce开发模式已被证明是方便成像复杂样品电池材料,专门为原位分析的固态电解质界面层出现在阳极和阴极。亚博网站下载PeakForce开发模式的功能进一步扩大,DCUBE模式允许收购多维数据立方体的并行捕获纳米机械和电气性能在高密度数据立方体。

在这种情况下,阴极研究包含导电碳纳米颗粒、聚合物粘结剂和金属氧化物。yabo214首先,大型x 45μm 45²扫描区域,可以为其他AFM nanoelectrical技术困难这种复合试样。高质量图像的表面形貌如图5所示。高度变异大于1μm,这被认为是正常的锂离子电池阴极。域内的图像,代表李金属氧化物(1),聚合物粘结剂(2),和炭黑(3)所示。

图5。李DCUBE-TUNA研究电池的阴极组成的金属氧化物(1),聚合物粘结剂(2),和导电碳纳米颗粒(3):(一)表面形貌,(b)定量表面刚度区分不同的领域,和(c)的集合金枪鱼电流片的光谱映射在选定的样本电压。yabo214扫描区域是x 45μm 45²。

域更喜欢这些是认可图5 b,定量地图表面刚度,由于聚合物粘结剂是最柔软的材料和显示最低的刚度,而李金属氧化物是最难的材料和显示最高的刚度。一系列片从光谱中提取映射显示在图5 c,展示的金枪鱼当前图像样本选择偏差,规定。金枪鱼当前地图显示不仅明确导率在不同材料领域也在李不同金属氧化物颗粒电导率异质性。

额外的数据关于这个样品的扫描15 x 15μm的大小²如图6所示,不同的材料领域,以及非均质性在不同金属氧化物颗粒,另外表示。图6中的表面形貌显示几大李金属氧化物颗粒,例如,区域# 1 - # 3。很难发现这个形态的强势粒填充材料地图。亚博网站下载这部分处理刚度映射和模量映射如图6 b、6 c,高刚度和模量分别表现出的金属氧化物。

这种分化是验证的金枪鱼当前地图如图6 d -光谱映射的一片+ 4 V样本偏差。高导电性是由碳black-rich展出区域(地区# 5),而聚合物粘合剂地区观察到绝缘(地区# 4)。有趣的是,粮食# 2李金属氧化物域只显示背景电流,这是完全不同于其他类型的谷物。这可能是由于缺乏相关的传导通道通过颗粒本身的固有性质或炭黑添加剂。

是必要的,以避免该地区在实际设计,因为它只充当一个冗余的电池体积和重量负担,降低特定的能量或体积能量密度。此外,李金属氧化物展品inner-grain异质性,按照粮食在图6 # 3 d。e图6显示了一系列的片的光谱映射,金枪鱼指示当前图像指定样本偏差表示。电特性进一步证实了这组图片。更重要的是,它展示了动态变化与应用样本偏差从−4 V + 4 V。李在金属氧化物颗粒,电流电压的行为似乎偏离线性电阻响应;例如,阴极是比较沉默的样本偏差−0.5 V至+ 0.25 V。

图6。李DCUBE-TUNA研究电池的阴极组成的金属氧化物(1)-(3),聚合物粘结剂(4)和导电碳纳米颗粒(5):(一)表面形貌,(b)定量表面刚度区分不同的领域,(c)量化模量地图,和(d) - (e)金枪鱼电流片的光谱映射在选定的样本电压。yabo214扫描面积15 x 15μm²。

的DCUBE-TUNA结果一个李金属氧化物颗粒阴极如图7所示。图7显示了表面形貌,表明这粮食是亚微米纳米粒子的总有类似的机械特性,证明在刚度和模量在图7图7 b和c,分别。yabo214

图7。DCUBE-TUNA研究李金属氧化物颗粒在电池的阴极组成的金属氧化物,聚合物粘结剂和导电碳纳米粒子:(一)表面形貌;yabo214(b)定量地图表面刚度区分不同的领域;(c)量化模量地图;(d) - (e)两片金枪鱼从光谱映射显示当前图像的样本偏差+ 4 V和−4 V,分别;和所有当前时间(f)光谱区域所示白色广场(e)。这125 ms居住期间,样本偏差扫线性−4 V + 4 V,或64 V·s的速度⁻¹。

在图8 d和8 e,金枪鱼目前片从DCUBE-TUNA光谱获得+ 4 V和−4样本偏差表明导电性差异这些粒子。yabo214

图8。DCUBE-SCM研究两个相邻SRAM pnp晶体管。这组图片显示单片机直流/ dV振幅数据:(a)在三维空间数据立方体的X, Y,和直流;(b)一片数据立方体的一个固定Y位置;(c)——(k)片选中,沿着VDC坐标固定直流偏差。直流电压样本被从−2 V + 2 V。扫描的尺寸是2 x 2μm²128 x 128像素。

这证明了inner-grain电异质性如图6所示。所有当前时间光谱区域用图7中的白色广场e绘制在图7 f。在这住的时间125毫秒,样本偏差的线性扫描−4 V + 4 V,或64 V /秒的速度。纳米粒子的正方形区域是在一对不同的导率,如图7所示。yabo214每个粒子的导电性相对统一,导致两个清晰的光谱组,如图7所示。

DCUBE-TUNA的这个例子清楚地显示动态的重要性,多维数据明显区分和研究复杂系统的性能与功能材料物理特性。亚博网站下载

案例研究:DataCube扫描电容显微术(DCUBE-SCM)的半导体器件

通过单片机技术,激活载体浓度可以直接测量二维纳米级精度。在这种方法中,载体浓度的差异在半导体结构可以通过测量直流/ dV信号成像的金属氧化物半导体(MOS)电容器由半导体样品和调查。在这个特定的模式下,探针扫描模式和电接触和地形数据同时获得,从而能够直接关联的位置样本的电特性。单片机的应用包括2 d载体分析横截面的半导体器件和半导体器件的失效分析。

面临两个限制在传统的SCM。首先,供应链管理在接触模式下工作,可以体验高成像和剪切力,这是直接关系到尖端的生命周期,特别是在结构有相当大的地形差异。其次,它在一个恒定的直流偏置电压工作样本和小费,而大量的数据变得明显只有当操作在一个广泛的电压。事实上,骑自行车直流偏压对每个像素一个有趣的话题持续很长一段时间。¹⁵相比之下,DCUBE-SCM解决这些限制通过提供高光谱和空间分辨率光谱不使用接触模式映射数据。随后通过一个额外的考试数据立方体,科学家可以获得更多信息阈值电压,氧化指控,氧化层厚度、界面陷阱密度,从移动离子污染。

从SRAM晶体管DCUBE-SCM例子如图8所示。测量直流电压样本在这种被从−2 V 2 V,扫描的尺寸是2 x 2μm²128 x 128像素。每个像素女士花了100,整个整个数据立方体在27分钟收集。除了force-distance数据,单片机直流/ dV振幅(如图8所示)和dC / dV阶段数据存储。如图8所示,dC / dV振幅数据立方体的可视化的三维空间X, Y,并在MATLAB生成直流。图8 b显示了垂直面,一片揭示dC / dV的动态变化幅度与直流沿X方向的线。

这个片展示了pnp型结载体档案的方式不同的直流电压和样品表明的运动明显的结,“换句话说,有效的通道长度与直流电压。图8 c 8 k显示片获得固定的直流电压,与每个图像显示固定的直流电压。右边一个缺陷pnp型连接如图8 e和8。

迷人地,这个缺陷只能在特定的电压,在这个序列的数据。电影的整个收藏的128片可以显示这个缺陷在一个更好的方法。

这显然表明DataCube成像可以查看效果时,很容易错过了利用传统电模式在几个不同的操作条件。

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