Как нам улучшить микроаккумуляторы

Ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST), а также ряда других научных учреждений разработали инструментарий, который позволяет исследовать сложное строение ими же созданных миниатюрных, многослойных аккумуляторов. Разработка позволяет увидеть процессы внутри микроустройств, не разрушая их — ученые получили не только полезный инструмент, но и продвинулись в создании источников питания для микромашин. 

Микроскопические литий-ионные аккумуляторы изготавливаются из кремниевой «проволоки» длиной в несколько микрометров, которая затем покрывается несколькими слоями других материалов. Результат похож не на слоеный пирог, а скорее, на микроскопическое дерево. 

Аналогия становится очевидной — достаточно увидеть как аккумуляторы цепляются своими «корнями» к кремниевой пластине, образуя «нанолес» (как его называют сами ученые) из миллионов элементов.  

Многослойная структура позволяет таким аккумуляторам накапливать энергию, отдавать ее и даже перезаряжаться. Подобные свойства превращают их в ценное подспорье для развития микроэлектромеханических систем (MEMS), которые, в свою очередь) имеют самые широкие перспективы практического применения. 

«Нанолес» из литий-ионных аккумуляторов на основе нанопроволоки. Фото: Олешко/NIST

Большое количество слоев может варьироваться по толщине, морфологии и другим параметрам. Поэтому очень важно знать наилучший способ нанесения каждого из слоев — предыдущее исследование продемонстрировало зависимость рабочих параметров микроаккумуляторов от используемых методов и инструментов. Как оказалось, обычный просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) не справляется со всеми предъявляемыми требованиями, поэтому исследовательская группа создала новый метод, использующий мультирежимный сканирующий ПЭМ. Во время работы такого устройства поток электронов направляется на микроаккумулятор, которые отражает их под различными углами. Чтобы получить максимально детализированное изображение, ученые решил использовать детекторы электронов, способных регистрировать частицы в широком диапазоне углов рассеивания — такое решение помогло исследователям получить четкую картинку внутренностей микроаккумуляторов вплоть до наноуровня. 

Многообещающий набор методик использования электронной микроскопии помог ученым найти лучшие способы создания микроскопических аккумуляторов: «У нас был широкий выбор материалов, возможность нанесения слоев разной толщины и масса предположений о том, что и как делать, — рассказывает один из авторов исследования Владимир Олешко (Vladimir Oleshko). — Но теперь в результате нашего исследования, мы получили прямые доказательства применения наилучшего подхода». 

По словам Олешко, производители микроэлектромеханических систем смогут воспользоваться как самими аккумуляторами, миллионы которых можно разместить на квадратном сантиметре кремниевой основы, так и аналитическим инструментарием, разработанным его группой: «Молодая, быстрорастущая отрасль аддитивного производства, создающая устройства путем послойного нанесения исходных материалов, нуждается в анализе их продуктов неинвазивным путем».