Lithium Diffusion in Silizium Nanostrukturen

Abstract

Lithium-Ionen-Batterien sind zu einem der wichtigsten Energiespeicher in unserem Leben geworden. Angefangen bei kleinen mobilen elektronischen Geräten wie Mobiltelefone oder Notebooks werden sie vermehrt in der Automobilindustrie für hybride oder vollelektrifizierte Fahrzeuge eingesetzt. Auch als Pufferspeicher für erneuerbare Energiequellen wie Windkraftwerke sind sie angedacht. Um dem steigenden Energiebedarf unserer Gesellschaft gerecht zu werden muss sich die Lithium-Ionen-Batterie Technologie jedoch noch weiterentwickeln. Eine deutliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien kann durch die Verwendung von alternativen Anodenmaterialien, wie Silizium-Nano-wires, erreicht werden.<br />Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Diffusion von Lithium in Silizium, um die Nanowires bezüglich der Diffusion für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien zu optimieren. Eine schnelle Diffusion ist ein wichtiger Faktor sowohl für die Ladezeit als auch für die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie. Zur Bestimmung der Richtungsabhängigkeit der Diffusion wurde ein spezielles Probendesign entwickelt und mit lithographischen Verfahren aus SOI-Wafern gefertigt. Die Diffusion erfolgte mit einer eigens für die Lithium-Verdampfung aufgebauten Aufdampfanlage mit aktiver Probenheizung und Temperaturkontrolle. Durch die optische Vermessung der Diffusionslängen von lithiierten Nanostrukturen und deren Auswertung konnten erstaunliche Ergebnisse ermittelt werden. Die Lithium Diffusion zeigt eine Anisotropie bezüglich der <110>und <100> Kristallrichtung von Silizium. In der <110> Richtung wurden bis zu 50% größere Diffusionslängen als in der <100> Richtung beobachtet.<br />Die gemessenen Diffusionskoeffizienten D=2,817E-7cm²/s in <110> und D=1,878E-7cm²/s in <100> für 50°C und D=6,67E-7cm²/s in <110> und D=4,45E-7cm²/s in <100> für 100°C sind größer als derzeit in der Literatur genannte Werte in diesem Temperaturbereich.<br />Bei elektrischen Charakterisierungen zeigte sich durch die Lithiierung eine Reduktion des Widerstandes von Silizium um den Faktor 10. Der berechnete spezifische Widerstand des lithiierten Siliziums liegt mit ca. 70Ohm*mm²/m zwischen den Werten von metallischem Lithium und dem nicht lithiierten leicht p-dotierten Silizium des verwendeten Wafers.<br />In einem abschließenden Experiment konnte die Lithiierung von VLS gewachsenen Nanowires beobachtet werden.

Lithium-ion-batteries are one of the most important energy storages in our lives. Starting with mobile electronic devices like mobile phones and notebooks there is an increased use of lithium-ion-batteries in the automobile industry for hybrid or fully electric vehicles. They are even considered as buffers for renewable energy sources like wind power stations. With our society's increasing demand for energy a further development of the lithium-ion-battery technology is needed. An obvious performance improvement of lithium-ion-batteries can only be reached by using alternative anode materials like silicon-nanowires.<br />This master thesis is focused on the diffusion of lithium in silicon to optimize the diffusion properties of nanowires for their application in lithium-ion-batteries. Fast diffusion is an important factor for the battery charging time and capacity. Samples for investigating the direction-dependent diffusion in silicon were manufactured by lithographic processing of SOI-Wafers. The lithium diffusion process took place in a custom-built lithium evaporation equipment with active sample heating and temperature monitoring. The interpretation of optical measured diffusion lengths of lithiated nanostructures showed astonishing results.<br />An anisotropic diffusion of lithium in silicon was investigated for <110>and <100> crystallographic directions. Diffusion lengths were up to 50% larger in <110> than in <100> directions.<br />The measured diffusion coefficients D=2,817E-7cm²/s in <110> and D=1,878E-7cm²/s in <100> at 50°C and D=6,67E-7cm²/s in <110> and D=4,45E-7cm²/s in <100> at 100°C are larger than published values for this temperature range.<br />Electrical characterizations showed a tenfold restistance reduction in silicon due to lithiation. The calculated specific resistance of lithiated silicon lies between the resistence of metallic lithium and the p-doped silicon used for lithiation.<br />In a final experiment the lithiation of VLS grown nanowires was investigated.