第26卷第2期 江 西 科 学 Vo1.26 No.2 2008年4月 JIANGXI SCIENCE Apr.2008 文章编号:1001—3679(2008)02—0204—05 PLD制备LiMn2 04薄膜及参数 对薄膜微观结构的影响 姜迪友 ,刘德生 ,欧阳小芳 ,叶志清 ,雷敏生 二 (1.江西师范大学物理与通信电子学院物理系,江西南昌330022; 2.江西省光电子与通信重点实验室,江西南昌330022) 摘要:用脉冲激光沉积(PLD),分别在不锈钢和单晶硅(111)衬底上生长了LiMn20 薄膜,并对所生长 LiMn20 薄膜的结构进行了研究。结果发现,生长在不锈钢衬底上的薄膜具有粗糙的表面和随机的结晶取 向,生长在单晶硅衬底上的薄膜具有相对光滑的表面,并具有明显的(111)方向上的择优取向。还研究了脉 冲频率和总脉冲数对薄膜生长的影响,结果显示,在相同的沉积条件下,对于不同衬底,LiMn,O 薄膜的生长 率不同;脉冲频率对薄膜生长的影响明显,在相同总脉冲数情况下,脉冲频率大,薄膜生长率明显增大。 关键词:脉冲激光沉积;薄膜;锂离子电池 中围分类号:0484.4 3 文献标识码:A Substrate and Pulse Frequency Efiect on the Microstructure Of LiMn,O Thin Films Grown by PLD JIANG Di.you ,LIU De.sheng ,OUYANG Xiao fang .-, YE Zhi—qing ’ .LEI Min—sheng ’ (1.Department of Physics,Jiangxi Normal University,Jiangxi Nanchang 330022 PRC; 2.Key Laboratory for Opt—electronics fo Jiangxi Province,Jiangxi Nanchang 330022 PRC) Abstract:LiMn2 O4 thin films were grown via pulsed laser deposition on stainless steel and monocrys— atlline Si(1 1 1)substrates.The structure properties of LiMn2 O4 thin films on both substrates were in— vestigated. in films on stainless steel substrates showed rough surfaces and random orientations. while those on Si substrates showed relatively smoot}l surfaces and preferred(11 l orientations.The influences of the pulse frequency and total number of the pulses are also studied.Results show that the growth rate can be diferent for diferent substrate even wiht the saille deposition conditions.Fur- htermore,the pulse frequency is very important to the growth of hte film.Wiht the 8alne total number ofpulses,the growth rate is large when the pulse frequency is hihg. Key words:Pulsed laser deposition,Thin films,Lithium ion batteries 收稿日期:2007—11—3O;修订日期:2007—12—10 作者简介:姜迪友(1974一),男,江西南昌人,在读硕士研究生,主要从事新能源材料(锂离子电池)方面的研究工作。 基金项目:国家自然科学基金(编号:10564002);江西省自然科学基金(编号:0512017);江西省教育科研基金(编号: GJJ(2005)73)。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 姜迪友等:PLD制备LiMn O 薄膜及参数对薄膜微观结构的影响 .205. 0 引言 锂离子电池是当前综合性能最好的二次电 池。在过去的几十年当中,许多研究者对锂离子 电池材料进行了大量的研究。在这些材料当中, 腔抽真空到小于1 X 10一Pa。沉积时,将氧气输 入腔体并维持气压在22 Pa左右。脉冲频率分别 用5 Hz和20№,总脉冲数分别为30000和72 000。 沉积过程中,衬底的温度维持700℃。激光源是 脉冲宽度为25 ns的KrF一248 nm准分子激光 器,照射到靶上的激光光斑约为5 mm ,能量为 160 mJ/脉冲。沉积结束后,样品在700℃温度 中退火1 h。 由于锰(Mn)基正极材料LiMn O 具有安全性高、 耐过充性好、放电电压平台高、对环境友好、原材 料便宜等¨ J一系列优点,它已成为一种很有应 用前景的锂离子电池的正极材料。 固态薄膜锂离子电池能量密度高,循环寿命 长,可以进行数千次充放电循环,是微体系能源的 理想选择,具有广泛的应用。特别是在微电子方 面,固态薄膜电池具有强大的应用潜力。例如,对 芯片静态存储模块、金属氧化物半导体智能卡等 给予动力支持0 l8 J。另外,作为基础研究,致密而 平整的薄膜电极里面不存在聚合物黏合剂,也不 存在传导碳质的粉末 J,是研究电化学性能非常 理想的样品。因此制备优质薄膜显得尤为重要。 LiMn O 薄膜可以通过不同的技术制得。例 如,脉冲激光沉积法(PLD) 引、化学气相沉积 法 、溶胶一凝胶法 和激光焙烧法 等。在 它们当中,用PLD制备LiMn2O 薄膜是最通常使 用的方法之一,原因就在于用PLD制备LiMn2O 薄膜不需要高温沉积就能得到优质薄膜。文献 [18—19]已经报导了用PLD制备LiMn2O4薄膜, 但这些文献主要是集中在薄膜的电化学性能研 究,而对薄膜生长技术进行研究的报道所见不多。 有文献认为不同的衬底对薄膜的厚度和生长率的 影响是等价的¨ 。 本文在不锈钢衬底和单晶硅(1l 1)衬底上用 PLD制备了LiMn2O 薄膜,研究了衬底材料和脉 冲频率对薄膜表面形态的影响,并对衬底和脉冲 频率对薄膜的厚度和生长率的影响进行了分析。 1 实验 首先用高纯度的LiMn2O 粉末在20 MPa压 力下制成圆形靶,放人800℃的电炉中烧结8 h。 衬底分别用不锈钢和单晶硅(1l1)2种材料。衬 底安装前经常规的抛光与清洗,衬底与靶之间的 距离保持大约35 rDdn。靶能够旋转,以免靶材被 激光击穿。衬底也保持旋转,以保证薄膜生长更 均匀。 具体的生长条件为:激光沉积之前,先将沉积 薄膜样品的x一射线衍射图谱是在德国 Bruker公司生产的D8 Advance X一射线衍射仪上 测定的,入射光cu Ka波长为0.154 06 nm,管压 40 kV,管电流40 mA。薄膜样品的表面形貌扫描 观察是在Hitachi S一4000型扫描电子显微镜 (SEM)上进行的,操作电压20 kV。并通过SEM 观察硅衬底和不锈钢衬底上的薄膜断裂横截面估 测薄膜的厚度。 2结果和讨论 图1和图2是分别生长在不锈钢和硅(1l1) 衬底上的LiMn204薄膜的XRD光谱图。从图1 可以看出,生长在不锈钢衬底上的LiMn:O 薄膜 在18。98。显示很强的(1l1)衍射峰。此外,除在 43.8O。处有一个较强的(400)峰外,还有许多其 它方向的衍 射峰。因此,尽管uMn O 薄膜在 (1l1)方向显示一定的择优取向,但结晶质量极 差。 。 从图2可以看见,生长在硅(111)表面的 LiMn:O.薄膜有较好的结晶状况。光谱图在18.9o。 也显示最强的(1l1)衍射峰,在38.2o。有一个次 强的(222)衍射峰,而其它方向的衍射峰基本没 有出现。这说明,生长在硅(111)衬底表面的 “Mn 04薄膜表现出(111)方向的良好择优取向。 图1 不锈钢衬底生长的LiMn2O4薄膜的XRD 光谱图 维普资讯 http://www.cqvip.com
・206・ 江西科学 2008年第26卷 样。}妇图可见,(a)薄膜的表面图像虽然显得较 (c)表面光滑,但(c)薄膜的表面的结晶状况明显 更好,这与图1和图2所示的XRD的结果吻合。 本文认为,导致这一结果的原因是因为硅(111) 衬底是晶态衬底且与LiMn O 具有良好的晶格匹 配,而不锈钢衬底却不具备这些条件。 从图3还可看出,(d)薄膜表面的结晶又较 (c)略差。本文认为,(d)样品所对应的激光脉冲 图2硅(111)衬底生长的LiMn O 薄膜的XRD 光谱图 频率太高,薄膜生长速率太快,溅射到衬底上的粒 子弛豫时问太短,以至不能形成良好的结晶。 因此本文认为,运用PLD设备制备结晶薄膜 时,欲得到较好结晶质量的薄膜,除应选用晶格常 数尽可能匹配的晶态衬底外,还应调节适当的激 光脉冲频率。 图3是2种不同衬底材料上生长的LiMn O 薄膜的SEM表面形貌图,其中,(a)、(b)和(c)、 (d)分别是不锈钢衬底和硅(111)衬底上生长的 LiMn:O 薄膜的表面形貌,但两者的脉冲频率不一 (a)不锈钢衬底,5 Hz,30 000脉冲;(b)不锈钢衬底,20 Hz,30 000脉冲;(c)硅(111)衬底,5 Hz,30 000脉冲; (d)硅(1l1)对底,20}{z,30 000脉冲 图3 LiMn O 薄膜的扫描电镜(SEM)图 图4是LiMn:O 薄膜横断面的SEM图。其 约为1.16 1/脉冲,(c)的平均生长率大约为0.33 中从图(a)到图(d)都是在硅(111)衬底上生长 A/脉冲,两者差异巨大。由此可见,在脉冲总数 的。从SEM图可以估测到薄膜厚度分别为:(a) 不大的情况下,激光脉冲频率对薄膜生长率的影 1.0 m、(b)8.33 m、(c)2.41 m和(d)0.96 I.zm。由此能够估算出:(a)的平均生长率大约为 响不大;在脉冲总数较大的情况下,激光脉冲频率 对薄膜生长率的影响很大。 0.33 A/脉冲,(d)的平均生长率大约为0.32 A/ 脉冲,二者十分接近;然而,(b)的平均生长率大图4中的(e)和(f)是不锈钢衬底上生长的 LiMn:O 薄膜横断面SEM图。由图4可见,(e) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 姜迪友等:PLD制备LiMn:O 薄膜及参数对薄膜微观结构的影响 ・207. 薄膜厚度大约为0.75“m,由此得到平均生长率 表1 脉冲频率总脉冲数及衬底对薄膜生长速率 大约为0.25 A/脉冲,此值与(a)的生长速率有微 的影响 小的差异;(f)薄膜厚度大约为3.5 p,m,平均生长 率约为0.48 A/脉冲,此值与(b)的值差异很大。 这意味着在脉冲数不大的情况下,衬底对薄膜厚 度和生长率的影响不大;然而随脉冲数的增加,衬 底对薄膜厚度和生长率的影响起决定作用。 (a)硅(111)村底,5 Hz,30 000脉冲;(b)硅(111)衬底,20 Hz,72 000脉冲;(c)硅(111)村底,5 Hz,72 000脉冲; (d)硅(111)衬底,20 Hz,30 000脉冲;(e)不锈钢衬底,5 Hz,30 000脉冲;(f)不锈钢衬底,20 Hz,72 000脉冲 图4 LiMn 0 薄膜横断面的扫描电镜(SEM)图 ,。、. 均有影响;同时,薄膜生长率也强烈地依赖于衬底 J 印 和脉冲频率以及总脉冲数。因此,用PLD制备优 在不同的沉积条件下,通过PLD技术在不同 质的薄膜时,必须仔细选择衬底材料,并采用适当 衬底上制备了LiMn 0 薄膜。SEM图像显示,不 的脉冲频率和脉冲总数。 仅衬底而且脉冲频率及总脉冲数对薄膜表面形态 (下转第318页) 维普资讯 http://www.cqvip.com .3l8・ 江西科学 2008年第26卷 (上接第207页) 参考文献: [1]Thackeray M M,David W I F,Bruce P G,et a1.Lithi- um Insertion into Manganese Spinels[J].Materials Re・ search Bulletin,1983,18(4):461—472. [2]Taraseon J M,Wang E,Shokoohi F K,et .The spinel phase of LiMn2 04 as a cathode in secondary lithium cells[J].Journal ofthe Electrochemicla Society,1991, 138(10):2859—2864. [3]Bruce P G.The solid state chemistry of lithium power sources[J].Chemistry Communications,1997,19: l817一l824. [4]Thackeray M M.Structural consideration of layer ̄and spinel lihtiated oxides for lithium ion batteries[J]. Journal ofthe lEectrochemical Society,1995,142(8): 2558—2563. [5]Shao—Horn Y,Hackney S A,Armstrong A R,et . Structural characterization of layered LiMnO2 elec- trodes by electorn difraction and lattice imaging[J]. Journal of hte Electrochemical Society,1999,146(7): 2404—2412. [6] Gao Y,Dahn J R.Synthesis and Characteriaztion of Lil+。Mn2. O4 for Li—Ion Battery Applications[J]. Journal ofthe Electrcohemical Socieyt,1996,143(1): 100一l14. [7]Bates J B,Dudney N J,Neudecker B,et a1.Thin—film lithium and ilthium—ion batterise[J].Solid State Ion- ies,2000,135(1~4):33—45. . [8]Souquet J L,Duelot M.Thin iflm lithium batteries[J]. Solid State Ionics,2002,148(3~4):375—379. [9]Antaya M,Dahn J R,Preston J s,et .Preparation nad characterization of LiCoO2 thin films by laser ablation deposition[J].Journal of the Electrcohemical Society, 1993,140(3):575—578. [10]Striebel K A,Deng c Z,Wen S J,et a1.Elcetrcohemi. cal behavior of LiMn2O4 and LiCoO2 thin films pro- duced with pulsed laser deposition[J].Journal of the Electrochemical Society,1996,143(6):1821—1827. [11]Antaya M,Ceams K,Preston J S,et .In situ growth folayered,spinel,and rock—salt LiCoO2 by hser ab- lation deposition[J].Jeamaal of Applied Physics, l994,76(5):2799—28o6. [12]Julien C,Camaeho—Lopez M A,Eseobar—Alarcon,et a1.Fabrication of LiCoO2 thin—film cathodes for re_ chargeable lithium mierobatteries[J].Materials Chem- istyr and Physics,2001,68(1~3):210—216. [13]Perkins J D,Bahn c S,McGraw J M,et a1.Pulsed laser deposition and characterization of crystalline lithium cobalt dioxide(LiCoO2)thin films[J].Journal of the lEectrochemical Society,2001,148(12):A1302一 Al3l2. [14]Kima K W,Choib K H,Choib K H,et a1.Mienffabrica. tion of c002 film using liquid 8oHrce misted chemical deposition tcehnique[J].Solid State lorires,2003,159 (1~2):25—34. [15]Morcrette M,Barboux P,Perriere J,et Non—sto1. ehiometyr in LiMn204 thin fdIIls by laser balation[J】. Solid State lorires,2001,138(3~4):213—219. [16]Yamada I,Abe T,Iiryama Y,et a1.Lihtimu—ion trans- fer at LiMn204 thin film electrode prepared by pulsed lsaer deposiiton[J].Electrochemistry Communica- itons,2003,5(6):502—505. ’ [17]Singh D,Kim W S,Craciun V,et a/.Micor structural nad electrochemical properties of lihtimu manganese oxide tihn films grown by pulsed laser deposition[J]. Applied Surface Science,2002,197—198:516-521. [18]Julien c,Poniatowski E,Camaeho M,et a1.Growth of iLMn2 O4 thin films by pulsed—laser deposiiton and hteir electrochemical properties in lithium mierobatter- ies[J].Materilas Science and Engineering B,2000, 72:36—46. [19]Xia H,Lu L,Coder G.Substrate effcet on the micro- structure and electrochemical properties of iLCoO2 thin iflms grown by PLD[J]。Journal of Alloys and Com. opunds,2006,417(1~2):304—310.
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