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Rastersondenmikroskopie
Zusammenfassung:
Elektrochemische Rasterkraftmikroskopie eignet sich hervorragend zur Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanoskala. Wir nutzen solche Verfahren zur Charakterisierung der elektrochemischen Eigenschaften von Kompositelektroden für Festkörperbatterien. Zu diesen Verfahren zählen die elektrochemische Verformungsmikroskopie (ESM), die Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM) und die Leitfähigkeits-Rasterkraftmikropskopie (cAFM).
Elektrochemische Verformungsmikroskopie (engl. Electrochemical Strain Microscopy, ESM)
ESM ist eine Technik zur Messung lokaler Verformungen in Materialien, die auf Änderungen der Zusammensetzung zurückzuführen sind (Vegard-Verformungen). In Batterieelektroden entstehen solche Verformungen durch die Interkalation und Deinterkalation von Li+-Ionen. Experimentell wird die AFM-Spitze mit der Probenoberfläche in Kontakt gebracht. Anschließend wird zwischen der AFM-Spitze und der Probe eine Wechselspannung angelegt. Dies führt zu einer Veränderung der lokalen Zusammensetzung unterhalb der Spitze und induziert eine Verformung der Oberfläche. Diese Vegard-Dehnung kann dank der Resonanzverstärkung des AFM-Cantilevers bis auf wenige Pikometer genau gemessen werden. Die quantitative Interpretation des ESM-Signals stellt jedoch aufgrund von Signalbeiträgen durch elektrostatische Kräfte nach wie vor eine Herausforderung dar.
Raster-Kelvin-Sondenkraftmikroskopie (engl. Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM)
In der Elektrochemie wird KPFM als Methode zur Messung des Volta-Potentials von Materialien mit hoher räumlicher Auflösung eingesetzt. KPFM arbeitet in zwei Schritten. Das bedeutet, dass im ersten Schritt die Topografie der Probe im intermittierenden Kontaktmodus abgebildet wird. Im zweiten Schritt wird die AFM-Spitze typischerweise 50 nm über der Probenoberfläche positioniert, ein Abstand, bei dem elektrostatische Kräfte zwischen Spitze und Oberfläche dominieren. Folglich führt ein an die Spitze angelegtes kombiniertes Gleich- und Wechselspannungspotential zu einer mechanischen Schwingung des Federbalkens/Cantilever, wobei die Amplitude proportional zur Gleichspannungsdifferenz zwischen Spitze und Probe ist. Auf diese Weise wird das Volta-Potential der Oberfläche abgebildet.
Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (engl. Conductive-AFM, c-AFM)
Bei der cAFM werden im Kontaktmodus lokale elektrische Ströme zwischen einer unter Spannung stehenden Spitze und der Probenoberfläche gemessen. Aus diesen Daten lässt sich die elektronische Leitfähigkeit an der Probenoberfläche ortsaufgelöst darstellen.
[1] V. Lushta, S. Bradler, B. Roling, A. Schirmeisen, ‘Correlation between drive amplitude and resonance frequency in electrochemical strain microscopy: Influence of electrostatic forces‘, Journal of Applied Physics 121 (2017) 224302.
[2] D. H. Agarwal, P. M. Bhatt, A. M. Pathan, ‘Development of portable experimental set-up for AFM to work at cryogenic temperature‘, AIP Conference Proceedings 1447 (1), S. 531–532.
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Hervorgehobene Publikationen:
- D. Renz, M. Cronau, B. Roling, 'Determination of Lithium Diffusion Coefficients in Single Battery Active Material Particles by Using an AFM-Based Steady-State Diffusion Depolarization Technique', J. Phys. Chem. C 125 (2021), 2230−2239. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c07751
- S. Badur, D. Renz, T. Göddenhenrich, D. Ebeling, B. Roling, A. Schirmeisen, 'Voltage- and Frequency-Based Separation of Nanoscale Electromechanical and Electrostatic Forces in Contact Resonance Force Microscopy: Implications for the Analysis of Battery Materials', ACS Appl. Nano Mater. 3 (2020), 7391-7405. doi: 10.1021/acsanm.0c00989
- V. Lushta, S. Bradler, B. Roling, A. Schirmeisen, ‘Correlation between drive amplitude and resonance frequency in electrochemical strain microscopy: Influence of electrostatic forces‘, Journal of Applied Physics 121 (2017) 224302. doi: 10.1063/1.4984831