Deponering av fosfatholdige batterimaterialer med ALD-metoden

Abstract

Atomlagsdeponering, ALD, er en metode for deporing av tynne filmer som er svært jevne og uniforme. Metoden er godt egnet til deponering av belegg på overflater med komplisert geometri, og regnes derfor som et svært viktig verktøy for produksjon av neste generasjons tredimensjonale tynnfilmbatterier.

LiFePO4-fasen har stort potensiale som katomateriale i Li-ion-batterier, og har sammen med FePO4 for første gang blitt syntetisert med ALD-metoden. I tillegg har nye prosesser for deponering av filmer i Al-P-O-systemet blitt undersøkt.

For å undersøke deponering av fosfatholdige materialer med ALD, og for å danne grunnlaget for deponering av LiFePO4 ble det utført deponering av FePO4 med Fe(thd)3 + O3- (thd = 2,2,6,6- tetrametyl-3,5-heptandionat) og (CH3)3PO4 + (H2O+O3)-prosessene for henholdsvis jern og fosfor. Prosessens vekst og sammensetning har blitt undersøkt som funksjon av temperatur og andelen Fe(thd)3 + O3-subsykler for å kartlegge prosessens temperaturvindu, og for å finne parametere som gir filmer med støkiometriske mengder jern og fosfor. De deponerte filmene var amorfe, og varmebehandling i luft har blitt utført for å oppnå krystallinske filmer.

Inkorporering av litium i FePO4 har blitt forsøkt ved å kombinere FePO4-prosessen med Li(thd) + O3- og Li(tOBu) + H2O-prosessene. Bruk av Li(tOBu) resulterte i ukontrollert vekst av filmer med svært høy litiuminnhold i forhold til jern og fosfor. Til tross for lovende resultater fra innledende forsøk med Li(thd) ble det ikke funnet en robust, reproduserbar ALD-prosess med denne forløperen. Det antas at dette skyldes lavt litiuminnhold i de deponerte filmene som en konsekvens av den lave temperaturen som måtte benyttes for å unngå at forløperøret ble tett som følge av massiv tilbake sublimering av Li(thd).

Vekst av filmer i Al-P-O-systemet har blitt undersøkt med mål å finne en prosess for deponering av AlPO4. Deponering av filmer ble forsøkt med forskjellige kombinasjoner av trimetylaluminium, TMA, POCl3 og H2O. Det ble vist at både TMA + H2O + POCl3 + H2O-prosessen og TMA + POCl3 + H2O-prosessen gir vekst av aluminium- og fosforholdige filmer.

Vekst og sammensetning for de to prosessene ble undersøkt som funksjon av temperatur, og for TMA + H2O + POCl3 + H2O-prosessen ble også filmenes vekst og sammensetning undersøkt som funksjon av andelen TMA + H2O-subsykler. Begge prosessene ga amorfe filmer.

Det ble vist at de to prosessene har svært forskjellig oppførsel i forhold til temperatur, og det diskuteres mulige vekstmekanismer for prosessene med bakgrunn i kvartskrystallmikrovektanalyser.

Dette arbeidet har ledet frem til økt innsikt i deponering av fosfatholdige tynnfilmer ved brukt av (CH3)3PO4 og POCl3 som fosfatforløpere for deponering av FePO4, LiFePO4 og AlPO4, og vil danne grunnlaget for videre studier.