Forskere forbedrer mikroskopiske batterier med hjemmebygget billedanalyse

(Phys.org) – I et sjældent tilfælde, hvor man får deres kage og også spiser den, forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og andre institutioner har udviklet et værktøjssæt, der giver dem mulighed for at udforske det komplekse indre af bittesmå, flerlags batterier, de udtænkte. Det giver indsigt i batteriernes ydeevne uden at ødelægge dem – hvilket resulterer i både en nyttig sonde for forskere og en potentiel strømkilde til mikromaskiner.

De mikroskopiske lithium-ion-batterier skabes ved at tage en siliciumtråd på et par mikrometer lang og dække den i på hinanden følgende lag af forskellige materialer. I stedet for en kage, imidlertid, hvert færdigt batteri ligner mere et lille træ.

Analogien bliver indlysende, når man ser batterierne bundet med deres rødder til siliciumwafers og samlet i millionvis i "nanoskove, " som holdet døber dem.

Men det er de kagelignende lag, der gør det muligt for batterierne at lagre og aflade elektricitet, og endda blive genopladet. Disse talenter kan gøre dem værdifulde til at drive autonome MEMS – mikroelektromekaniske maskiner – som har potentielt revolutionerende applikationer på mange områder.

Med så mange lag, der kan variere i tykkelse, morfologi og andre parametre, det er afgørende at kende den bedste måde at bygge hvert lag på for at forbedre batteriets ydeevne, som holdet fandt i tidligere forskning.** Men konventionel transmissionselektronmikroskopi (TEM) kunne ikke give alle de nødvendige detaljer, så holdet skabte en ny teknik, der involverede multimode scanning TEM (STEM) billeddannelse. Med STEM, elektroner oplyser batteriet, som spreder dem i en bred vifte af vinkler. For at se så mange detaljer som muligt, holdet besluttede at bruge et sæt elektrondetektorer til at indsamle elektroner i en bred vifte af spredningsvinkler, et arrangement, der gav dem masser af strukturel information til at samle et klart billede af batteriets indre, ned til nanoskalaniveau.

Det lovende værktøjssæt med elektronmikroskopi-teknikker hjalp forskerne med at finde bedre måder at bygge de små batterier på. "Vi havde mange valgmuligheder med hensyn til, hvilke materialer vi skulle afsætte og i hvilke tykkelser, og en masse teorier om, hvad man skal gøre, " Teammedlem Vladimir Oleshko siger. "Men nu, som et resultat af vores analyser, vi har direkte beviser for den bedste tilgang.

"MEMS-producenter kunne selv gøre brug af batterierne, en million af dem kan fremstilles på en kvadratcentimeter af en siliciumwafer. Men de samme producenter kunne også drage fordel af holdets analytiske værktøjer. Oleshko påpeger, at de unge, hurtigt voksende felt af additiv fremstilling, som skaber enheder ved at opbygge komponentmaterialer lag for lag, ofte nødt til at analysere sine kreationer på en ikke-invasiv måde. Til det job, holdets tilgang kan tage kagen.