一種Ni亞微米陣列的制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種用于三維薄膜鋰離子電池的Ni亞微米三維陣列制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]能源缺乏和環(huán)境污染是現(xiàn)目前全球面臨的兩大難題，鋰離子電池作為一種清潔能源，對(duì)于解決這兩大難題有非常重要的意義。鋰離子電池具有比容量高循環(huán)壽命長(zhǎng)、倍率性能優(yōu)良、環(huán)境友好、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。
[0003]隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子器件逐漸向集成化和功能多樣化方向發(fā)展，要求為之提供能源的微型電源具有形狀及尺寸可設(shè)計(jì)性、高功率密度和高充放電循環(huán)壽命。目前，二維薄膜鋰離子電池是微電子機(jī)械系統(tǒng)、智能卡、無(wú)線傳感器、植入式醫(yī)療系統(tǒng)以及納米發(fā)電機(jī)的理想微電源和儲(chǔ)能元件，如文獻(xiàn)[B.Scrosati，NatNanotechnol.598-599 (2007) 318.]。但是，二維薄膜鋰離子電池的功率密度和充放電循環(huán)性能受限于電極材料的固有缺陷和電極材料的二維平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其單位立足面積內(nèi)電極活性物質(zhì)負(fù)載量少，功率密度并未得到明顯改觀，如文獻(xiàn)[F.Sauvage, J.M.Tarascon,E Baudrin, J.Phys.Chem.C.111/26 (2007) 9624.],文獻(xiàn)[Ng.See How, J.Z.Wang,D.Wexler, S.Y.Chew, Η.K.Liu, J.Phys.Chem.C.111/29(2007) 11131.]、文獻(xiàn)[S.Hiromasa,N.Masanobu，N.Masayuki，Solid state 1nics.181/21 (2010) 994.] o 三維薄膜鈕離子電池(簡(jiǎn)稱(chēng)3D鋰離子電池)通過(guò)獨(dú)特的構(gòu)架設(shè)計(jì)，以增加比表面積方式，增大了單位立足面積內(nèi)電極活性物質(zhì)負(fù)載量，并縮短了鋰離子擴(kuò)散半徑，提高了電池的容量和充放電速率，對(duì)于解決未來(lái)微電子器件對(duì)能量的需求有重大的意義，如文獻(xiàn)[G.Che,B.B.Lakshmi,E.R.Fisher，C.R.Martin, Nature.346-349 (1998) 393.]。
[0004]近些年，一些研宄者致力于3D鋰離子電池的研宄，制得了叉指碳柱3D鋰離子電池、生物模板3D鋰離子電池等。但是，叉指碳柱3D鋰離子電池的結(jié)構(gòu)使得放電不均勻，而且碳柱在鋰離子嵌入和脫出過(guò)程中易變形破損，如文獻(xiàn)[C.L.Wang，L.Taherabadi, G.Y.Jia,Solid-State Lett.7/11 (2004)A435.]。生物模板3D鋰離子電池對(duì)制備技術(shù)以及環(huán)境控制要求很高，很難大規(guī)模將其應(yīng)用于微納米電子器件中，如文獻(xiàn)[Y.J.Lee, H.Yi，ff.J.Kim,Science.1051-1055(2009)324.]。
[0005]為了探索制備一種結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、工藝條件更加簡(jiǎn)單的3D鋰離子電池，可以采用高度有序、均勻規(guī)則的金屬亞微米陣列來(lái)構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，然后在金屬亞微米陣列上沉積電極活性物質(zhì)形成核殼結(jié)構(gòu)，不僅可以緩釋Li+脫/嵌使電極材料體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力，而且增大了單位立足面積內(nèi)電極活性物質(zhì)負(fù)載量，并有效地縮短了鋰離子擴(kuò)散半徑，提高了電池的容量和充放電速率。同時(shí)，由于金屬亞微米陣列的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在充放電循環(huán)過(guò)程中結(jié)構(gòu)不易坍塌。因此，在Li+脫/嵌過(guò)程時(shí)，循環(huán)穩(wěn)定性很好。目前，一些研宄者利用電沉積方法制備N(xiāo)i納米陣列，該方法工藝較為復(fù)雜且重復(fù)性較差，很難通過(guò)控制工藝條件達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)需要，所用的原料會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，不適合規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)一種用于三維薄膜鋰離子電池的Ni亞微米三維陣列制備工藝，對(duì)于制備性能優(yōu)良的3D鋰離子電池具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種用于三維薄膜鋰離子電池的Ni亞微米三維陣列制備工藝。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種Ni亞微米陣列的制備工藝，先將基底和Ni靶材進(jìn)行清洗預(yù)處理；然后在基底上沉積Ni層；接著對(duì)沉積后的模板進(jìn)行熱處理；最后用堿液溶解模板，除去模板后用去離子水洗滌，即可得到Ni亞微米陣列。
[0009]進(jìn)一步的，所述將基底和Ni靶材進(jìn)行清洗預(yù)處理的具體工藝為:
[0010]a、清洗基底:首先將基底放入99.5%的丙酮中利用超聲波清洗機(jī)清洗10_15min，然后放入濃度為99.7%的無(wú)水乙醇中利用超聲波清洗機(jī)清洗10-15min，烘干后將其放入超高真空多功能磁控濺射設(shè)備的真空室，待其真空度達(dá)到4.0X KT4Pa后，然后進(jìn)行反濺射清洗10min-15min ;所述濺射設(shè)備的反濺射功率為60W-120W，工作氣體為Ar，反濺氣壓為l-2Pa ；
[0011]b、在對(duì)基底反濺完成后，停止通入工作氣體Ar，真空計(jì)顯示本底真空為4.0X 10_4Pa，隨后向真空室通入工作氣體Ar至真空度為0.5_lPa，對(duì)Ni靶材進(jìn)行預(yù)濺清洗，所述預(yù)派射清洗的時(shí)間為10-15min。
[0012]進(jìn)一步的，所述在基底上沉積Ni層的具體工藝為:在超高真空多功能磁控濺射設(shè)備中沉積，其真空室本底真空度為4.0 X 10_4Pa，工作氣體為Ar，Ar流量為30-58sCCm，沉積時(shí)工作真空度為0.4-0.8Pa，Ni靶材濺射功率為50-150W，沉積總時(shí)間為4_10h，每沉積l_2h停0.5h，且放置基底的樣品臺(tái)與Ni靶材間的間距為4.8-8cm。
[0013]進(jìn)一步的，所述對(duì)沉積后的基底進(jìn)行熱處理的具體工藝為:在Ni層沉積完成后，利用高真空快速退火爐對(duì)基底熱處理，在快速退火爐真空度低于0.133Pa，升溫速率為5-10°C /min，退火溫度為250°C _400°C，對(duì)沉積了 Ni層的基底進(jìn)行熱處理l_2h，然后在不關(guān)真空系統(tǒng)條件下，隨爐自然冷卻。
[0014]進(jìn)一步的，所述用堿液溶解基底，除去基底后用去離子水洗滌的具體工藝為:將基底放入5mol/L的NaOH溶液中進(jìn)行溶解，除去基底后用去離子水洗滌，即可得到Ni亞微米陣列。
[0015]進(jìn)一步的，所述基底為AAO模板，且孔型為V型，所述Ni靶材為純度為99.999 %的金屬Ni。
[0016]當(dāng)然，所述基底還可以為聚合物模板或云母模板。但是從制備工藝和成本方面考慮:在制備工藝方面，AAO模板制備工藝極為成熟且工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)徑比的多孔狀模板的制備，在制備成本方面，AAO模板制備成本低廉，適合大規(guī)模應(yīng)用。所以，最終選擇采用AAO模板作為基底。
[0017]另外，所述Ni靶材只要為具有良好的導(dǎo)電性的金屬Ni即可滿足要求，只是純度為99.999%的金屬Ni的使用效果更好。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0019](I)本發(fā)明工藝所采用的磁控濺射方法，工藝簡(jiǎn)單易行且重復(fù)性好，所需成本低，清潔環(huán)保，適合于規(guī)?；瘧?yīng)用。
[0020](2)所制得的Ni亞微米陣列高度有序，直徑一致，并可以采用不同規(guī)格的AAO模板制備不同長(zhǎng)度和直徑的Ni亞微米陣列以滿足實(shí)際需要。
[0021](3)本發(fā)明工藝所制備的Ni亞微米陣列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠顯著提高電極活性物質(zhì)的比表面積，有效提高了鋰離子電池的電化學(xué)性能。相對(duì)于具有二維平面結(jié)構(gòu)的薄膜鋰離子電池而言，本發(fā)明工藝所設(shè)計(jì)的三維結(jié)構(gòu)能夠顯著提高電極活性物質(zhì)的比表面積，從而有效提高了鋰離子電池的電化學(xué)性能。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Ni亞微米陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)形貌圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的Ni亞微米陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的其中的幾個(gè)實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]如圖1和圖2所示:
[0027]本實(shí)施例采用SD-550超高真空多功能磁控濺射設(shè)備(成都盛達(dá)興業(yè)化工工程有限公司)；
[0028]所用基底為商業(yè)用AAO模板(Lesson Nano公司)；
[0029]所用濺射金屬Ni純度為99.999% ；
[0030]工作氣體Ar純度為99.999 % ；
[0031]整個(gè)沉積工藝過(guò)程在常溫下進(jìn)行；
[0032]在上述條件下，Ni亞微米陣列制備操作步驟如下:
[0033](I)沉積前對(duì)基底和Ni靶材預(yù)處理
[0034]a、清洗基底:首先將基底放入99.5 %的丙酮中利用超聲波清洗機(jī)清洗15min，然后放入濃度為99.7%的無(wú)水乙醇中利用超聲波清洗機(jī)清洗lOmin，烘干后將其放入超高真空多功能磁控濺射設(shè)備真空室，待其真空度達(dá)到4.0X 10_4Pa后，然后進(jìn)行反濺清洗lOmin，去除AAO模板上的雜質(zhì)，所述濺射設(shè)備的反濺功率為60W，工作氣體為Ar，反濺氣壓為2Pa。
[0035]b、在對(duì)基底反濺完成后，停止通入工作氣體Ar，真空計(jì)顯示本底真空為4.0X 10_4Pa，隨后向真空室通入工作氣體Ar至真空度為0.5Pa，對(duì)Ni靶材進(jìn)行預(yù)濺清洗，以去除Ni靶材上面的氧化物，所述預(yù)濺射清洗的時(shí)間為15min。
[0036](2)沉積 Ni 層
[0037]其真空室本底真空度為4.0 X 10_4Pa，工作氣體為Ar’其流量為33sCCm，沉積時(shí)工作真空度為0.4Pa，Ni靶材濺射功率為80W，沉積總時(shí)間為8.5h，每沉積2h停0.5h，防止短路等情況產(chǎn)生，且放置基底的樣品臺(tái)與Ni靶材間的間距為4.8cm ；
[0038](3)沉積后對(duì)模板熱處理
[0039]所述Ni層沉積完成后，利用高真空快速退火爐對(duì)模板熱處理。在快速