LiPON薄膜结构与电化学性能研究.pdf

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