ساخت آندهاي لايه نازك نانوساختار اكسيد قلع آلاييده شده با فلز روي براي ميكروباتري‌هاي يون- ليتيمي

Synthesis of Nano-crystalline Zn-doped and Tin Oxide Thin Films for Ion-lithium Microbatteries

در اين تحقيق، لايه‌هاي نازك نانوساختار اكسيد قلع خالص و آلاييده شده با فلز روي به روش لايه‌نشاني اشعه الكتروني لايه‌نشاني شدند. پراش اشعه ايكس از لايه‌هاي نازك ايجاد شده وجود اكسيد قلع آمورف با تركيب شيميايي (SnO) را نشان داد. سيكل عمليات حرارتي در دماي °C 500 و به مدت 10 ساعت بر روي فيلم‌هاي نازك تشكيل شده انجام شد كه منجر به ايجاد ساختار تتراگونال دي اكسيد قلع (SnO2) نانوساختار شد. تصاوير ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) نشان دادند كه مورفولوژي فيلم هاي نازك ايجاد شده بعد از لايه‌نشاني بسيار صاف و ريز مي‌باشد، اما با اعمال عمليات حرارتي بر روي آنها مورفولوژي فيلم ها به تدريج خشن مي شود. علاوه بر اين تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) نشان دادند كه ساختار فيلم هاي نازك ايجاد شده همگن و فشرده مي باشد. همچنين نقشه عنصري از فيلم هاي نازك، توزيع همگن عنصر روي در ساختار دي اكسيد قلع را اثبات كرد. در انتها ارزيابي الكتروشيميايي لايه هاي نازك دي اكسيد قلع خالص و آلاييده شده به عنوان آند به صورت گالوانواستاتيكي در محدوده پتانسيل صفر تا 7/1 ولت انجام شد. نتايج نشان دادند كه در طول فرآيند شارژ/ دشارژ ظرفيت ويژه لايه‌هاي نازك اكسيد قلع خالص از µAhcm-2µm-1 5/69 به µAhcm-2µm-1 6/137 براي لايه‌هاي نازك اكسيد قلع آلاييده با فلز روي افزايش مي‌يابد.

In this research, Nanocrystalline Zn-doped and pure tin oxide thin films were synthesized by electron beam evaporation technique. X-ray diffraction patterns indicated that as-deposited thin films were amorphous SnO. Heat treatment at 500 °C for 10 h was applied to the as-deposited thin films, which led to nanocrystalline tetragonal SnO2. AFM images showed that the morphology of as-deposited thin films was very smooth and fine, however, heat treatment caused that the morphology of thin films were gradually rough. Furthermore, SEM images revealed that the microstructure of thin films was compact and homogeneous. Elemental mapping of thin films proved the homogeneous distribution of zinc atoms in the structure of SnO2. Finally, electrochemical evaluation of pure and Zn-doped tin oxides as anodes for microbatteries was investigated by using galvanostatic charge/discharge in the potential range of 0-1.7 voltage. The results showed that specific capacity of pure tin oxide thin films increased from 69.5 µAhcm-2µm-1 to 137.6 µAhcm-2µm-1 for Zn-doped tin oxide thin films.