UPS/LEIPS评估全固态电池材料的能带电子结构

PHICHINA

2022/07/08 16:31

阅读：34

概述

固态电池作为一个全新的技术方案，引起了广泛的研究兴趣，并得到了诸多探索。众所周知，固态电池的电解质和电极材料均是固态的，两者间界面材料相容，才能有效地传导离子，从而降低电池内部阻抗。

化学组成与电子能带结构分析能够帮助了解电解质与电极之间的界面性质，这对于半导体材料、纳米材料以及电池器件的研究十分重要。可利用TOF-SIMS、XPS、AES和UPS/LEIPS等技术来表征固态电池LiPON电解质和LiCoO₂正极之间的界面，以获得相应成分、化学态和能带的信息。XPS和TOF-SIMS实验结果表明，在LiPON/LiCoO₂界面附近存在一个具有特定化学态的界面层，在该界面层发现了LiCoO₂被还原的现象。为进一步了解界面上所发生的化学反应机制，可以利用UPS（紫外光电子能谱）和LEIPS (低能量反光电子能谱）来分析能带电子结构，为优化电池制备工艺提供指导。

紫外光电子能谱和低能量反光电子能谱

如图1所示，紫外光电子能谱（UPS），基于光电效应，利用紫外光（hν=21.22 eV）激发价带电子, 可以获取样品价带位置（VB/HOMO）、功函数（Ф）和电离势（IE）信息。低能量反光电子能谱（LEIPS）是采用低能量电子（小于5 eV）入射到样品表面，与未占据态（导带）耦合释放出光子，然后通过光子探测器对发射光子进行检测，从而获取样品导带（CB/LUMO）和电子亲和势（EA）的信息。将UPS与LEIPS结合，可以完整地表征出样品的能带电子结构。

图1. UPS和LEIPS的基本原理

PHI XPS系统采用低能量电子（小于5 eV）作为LEIPS入射电子源，可以减弱电子束照射引起的样品损伤，提供更加可靠的导带信息。如图2所示，PHI XPS 系统在分析腔体上集成了XPS、UPS和LEIPS，可以原位对样品完成组分、化学态、价带和导带等完整电子结构的测试，结合Ar离子枪和团簇离子枪（GCIB/C60）可以进一步完成深度方向上电子结构的探测。

图2. PHI XPS系统功能示意图

应用

从固态电池材料中制备了的LiPON和LiCoO₂两种薄膜，然后利用UPS和LEIPS（如图2所示）分别对两种薄膜进行测试，全面获取两种材料相对于真空能级的电子能带结构。

图3. LEIPS和UPS测试的示意图

我们知道费米能级表征了电子填充能级的强弱。图4结果显示LiCoO₂的费米能级比LiPON的低，因此当LiPON电解质层沉积到LiCoO₂电极界面时，电子倾向于从LiPON扩散到LiCoO₂中，从而引起LiCoO₂的还原。由此可见，通过UPS和LEIPS获取能带结构，能帮助解释XPS, TOF SIMS以及AES的实验结果，进一步探究界面化学反应机制。