Использование метода атомно-слоевого осаждения для получения и исследования пленок литированного фосфата железа и кобальта

Объект исследования - прекурсоры железа и кобальта, кремниевая подложка, наноструктурированная поверхность из LiFePO₄. Цель исследования - получение новых неорганических и гибридных (органо-неорганических) материалов для электродных структур аккумуляторов нового поколения с высокими мощностными и энергетическими характеристиками, обладающих высокими скоростями зарядки/разрядки. При выполнении задач проекта использовался метод атомно-слоевого осаждения (ALD-технология) для получения тонких пленок литированного фосфата железа. С использованием методов РЭМ и СЭМ, РФА и термогравиметрии получены данные об элементном составе фазовых состояниях пленки и ее морфология. В рамках первого этапа проекта разработаны методики получения широкого ряда прекурсоров на основе комплексов d-элементов (Fe, Co, Mn) и литийорганических соединений. С использованием данных элементного анализа, ИК, ЭСП, мультиядерных ЯМР-спектров получены данные о составе и строении синтезированных соединений.Методом атомно-слоевого осаждения осуществлен синтез слоистых структур на основе фосфат лития-железа LiₓFePO₄. Методами РЭМ и СЭМ, РФА и термогравиметрии получены данные о фазовых состояниях. Проведен анализ литературы и подобраны прекурсоры для проведения синтеза LiFePO₄. Согласно источникам выбраны прекурсоры ферроцен (FeCp2), трет-бутилат лития (LiOBu), триметилфосфат ((CH₃O)₃PO) и вода (H₂O). Но после проведения экспериментов был сделан вывод о непригодности прекурсора ферроцен для проведения синтеза LiFePO₄, поэтому в качестве источника Fe(II) был выбран хлорид железа (II) (FeCl₂). Исследовано влияние параметров ALD-процесса на синтез пленки LiFePO₄. По результатам проведенных экспериментов установлено, что время пульса прекурсора и время продувки инертным газом имеет значительное влияние на синтез пленок LiFePO₄. Оптимальное время подачи прекурсоров и продувки составляет для FeCl₂, LiOBu и H₂O 1 с пульса/10 с продувки, для (CH₃O)₃PO 2 с пульса/10 с продувки. Также на синтез LiFePO₄ оказывает влияние температура процесса. Оптимальное значение температуры экспериментально установлено 300°С. Изучен механизм взаимодействия прекурсоров с поверхностью подложки: определено влияние активации подложки на равномерность роста пленки. Для решения проблемы активации подложки было предложено перед началом основного процесса синтеза LiFePO₄ провести отдельный процесс активации с использованием реагентов кислорода (O₂) и воды (H₂O) при максимально возможной температуре (350°С). Экспериментально доказано, что процесс активации подложки влияет на морфологию получившейся пленки: пленка имеет меньшую шероховатость и наблюдается значительное уменьшение времени задержки нуклеации. С использованием широкого ряда физико-химических методов подробно изучены фазовый состав, морфология пленки, полученной в результате синтеза с использованием метода ALD. Рассчитаны основные термодинамические характеристики (E0, G0, удельная емкость). Квантово-химическими методами изучен механизм интеркаляции лития в слои фосфата железа, а также подробно разобрана динамика поведения Li-органических прекурсоров на поверхности из фосфата железа.