Nieuwe precursoren voor Atomaire Laag Depositie van lithiumhoudende lagen

Groep: CoCooN

Promotor: Christophe Detavernier

Begeleiding: Andreas Werbrouck , Jeroen Kint

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

De batterijindustrie heeft de voorbije jaren een sterke evolutie gekend. Bij de ontwikkeling van nog meer performante batterijen zijn niet alleen nieuwe materialen nodig, maar ook nieuwe concepten en architecturen. Er wordt actief gezocht naar manieren om lithium-ion batterijen veiliger en performanter te maken met behulp van dunnefilmtechnologie.

Atomaire laag depositie (ALD) is een depositietechniek waarbij dunne lagen atoomlaag per atoomlaag opgebouwd kunnen worden. Niet alleen vlakke substraten kunnen zo gecoat worden, maar ook complexe 3D structuren kunnen gelijkvormig bedekt worden met een ultradun (0.1nm-100nm) laagje materiaal. De kracht van ALD ligt dus vooral in ultieme diktecontrole en conformaliteit op complexe substraten. Deze unieke eigenschappen zijn onder andere bruikbaar bij de ontwikkeling van 3D-batterijen en bij het coaten van complexe gestructureerde batterij-elektrodes.

ALD van lithiumhoudende films is echter niet evident. Tot op heden werden nog maar drie lithiumhoudende werkbare precursoren gerapporteerd: lithium hexamethyltrimethylsilylazide (LiHMDS), lithium tertbutoxide (Li(t)buO) en - sinds 2016 – lithiumtrimethylsilanolaat (LiTMSO). De onderzoeksgroep COCOON deed de voorbije jaren ervaring op met zowel LiHMDS als Li(t)buO. Dit geringe aantal beschikbare precursoren – en praktische obstakels zoals de grootte van de molecule en instabiliteit van de precursor - bemoeilijkt de ontwikkeling van ALD van lithiumhoudende lagen. Er is dus grote nood aan simpele, stabiele, goedkope lithiumhoudende precursoren.

In deze thesis zullen twee mogelijke lithiumprecursoren getest worden: LiTMSO, zeer recent beschreven in de wetenschappelijke literatuur, en lithium methoxide, een tot nog toe niet verkende precursor. Het is de bedoeling om, voortbouwend op bestaande kennis rond thermische ALD processen, in het kader van deze thesis nieuwe plasma-versterkte ALD processen te ontwikkelen voor de depositie van elektroliet- en elektrodematerialen, en ALD op basis van deze nieuwe precursoren grondig te karakteriseren.

De nieuw ontwikkelde processen kunnen in-situ bestudeerd worden met spectroscopische ellipsometrie en massaspectrometrie. De gegroeide lagen kunnen worden gekarakteriseerd met X-stralen-reflectie, -diffractie (tijdens annealing en/of oxidatie) en -fluorescentie. De elektrochemische karakterisatie zal gebeuren door testcellen uit te meten in een argongevulde handschoenkast. Op die manier brengt de thesis inzicht over depositietechnieken, dunne-film karakterisering, materiaalfysica en batterijtechnologie.

Figuur: Lithium trimethylsilanolaat (links) en  Lithium methoxide (rechts).1718Co05.png

Figuur: Lithium trimethylsilanolaat (links) en  Lithium methoxide (rechts).