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LiPON薄膜结构与电化学性能研究

第26卷 第4期 材料热处理学报 V01.26 No.4 MATERIALSHEATTREATMENT 2005年8月 TRANSACTIONSOF AND August 2005 LiPON薄膜结构与电化学性能研究 赵胜利1, 文九巴1, 李海涛1, 秦启宗2 (1.河南科技大学材料学院,河南洛阳471003;2.复旦大学激光所,上海200433) 摘 要:采用355nm脉冲激光沉积(PLD)法制备了室温离子电导率为1.6×10“S/cm的LiPON电解质 薄膜。用x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(脚R)、x射线光电子能谱 (XPS)等方法对薄膜的结构和形貌进行表征,讨论了LiPON薄膜的电化学性能与其结构之间的关系。 结果表明,该薄膜是一种无针孑L、无裂缝、厚度均匀的非晶态结构。N元素插入到Li,P04中,取代P一0一P ,P 和PO,结构中的0使N与P成键形成P—N=P或卜N:,增加了薄膜中的网状结构,从而提高了离 、r 子电导率。另外,随着N含量增大,LiPON薄膜的室温离子电导率增大。 关键词:LiPON;薄膜;结构;PLD 中图分类号:TM911 文献标识码:A 文章编号:1009.6264(2005)04—0017—05 全固态薄膜锂电池在未来微电子器件中具有广 离子电导率由锂离子的浓度和离子淌度决定。可用 泛的应用前景,受到人们的关注¨。。锂磷氧氮 式(1)表示‘7。: (LiPON,lithiumphosphomusoxynitride)电解质薄膜的 盯。锂离子浓度×锂离子淌度 (1) 室温离子电导率达3.3×10~S/cm,电子阻抗大于可见,提高离子电导率可以通过两种方式,一是增加 锂离子的浓度;另一是改变离子导体的结构,使之更 10”12/cm,247~413K温度范围内不发生相变,室温电 化学窗口5.5±0.2V,在上万次充放电循环过程中不 会像许多阴极材料那样出现“枝晶”或裂化、粉末化等 比锂离子浓度基本相同,但电导率却有2~3个数量 级的差别,可见,LiPON薄膜电导率的提高必然与其 现象3I。因此,LiPON是目前研究最多的一种作为 全固态薄膜锂电池电解质薄膜材料H’“。我们采用 波长355nm的脉冲激光沉积(PLD)方法在激光能量了考察,讨论了LiPON薄膜的电化学性能与其结构之 密度15J/cm2、N,气氛压强200mTorr、基片温度为室间的关系。 温、靶.基片距离5em、沉积1.Oh条件下制备了室温离 1 子电导率1.6×10~S/cm、电子电导率10一6~10。4实验材料及方法 S/cm、厚度均匀、无针孔和裂缝的LiPON薄膜M。,本文 在无特别说明情况下LiPON薄膜均是在该条件下制积薄膜前,由机械泵和扩散泵将不锈钢真空室抽空至 备的。文献报道旧。,Li,PO。薄膜的室温离子电导率为 10一~10~S/cm,但当少量的N插入到Li,P04中形成一微调针阀流量计控制,真空室压强由热偶规和电离 LiPON后能大幅度降低离子电导率活化能,大大提高 薄膜的电导率。目前,对于N在LiPON电解质薄膜 中的作用尚不十分清楚。我们知道,在离子导体中锂 量计测定。激光束经透镜聚焦后,通过石英窗进入真 收稿日期: 2004—12—20;修订日期:2005.01.31 空室,与靶表面法线方向成45。角入射。靶.基片距离 基金项目:国家自然科学基金项目;河南科技大学人才 科研基金项目(04015);河南科技大学青年科研基金项目及镀

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