Теоретическое исследование внедрения атомов лития в кремний

Автор: Михалева Н.С., Кузубов А.А., Попов З.И., Еремина А.Д., Высотин М.А.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Технологические процессы и материалы

Статья в выпуске: 2 т.16, 2015 года.

Бесплатный доступ

Рассматривается процесс диффузии атомов лития в приповерхностные слои кремния (001). Расчеты выполнялись в рамках теории функционала плотности. Показано, что при малой концентрации лития на реконструированной поверхности кремния (001) энергия связи в подповерхностном слое ниже, чем на поверхности, что препятствует диффузии лития внутрь кристалла. Подобная ситуация существенно не меняется при увеличении температуры. Анализ частот перескока одиночных атомов лития с поверхности в приповерхностные слои показал, что в случае малых концентраций миграция атомарного Li будет осуществляться практически по одному пути реакции (из положения L-состояния, в котором литий находится в канале между димерами). При концентрации лития в два монослоя, наоборот, диффузия в подповерхностные слои становится более предпочтительна. Поскольку при достижении концентрации в один монослой происходит изменение симметрии димеров, диффузия лития внутрь кристалла также облегчается вследствие увеличения плотности положений в каналах между димерами. Таким образом, результат моделирования позволил объяснить причину экспериментального факта затруднения диффузии лития при прохождении через данную поверхность и определить пути возможной модификации поверхности, которая должна увеличить энергию связи атомов лития в приповерхностных состояниях при низких степенях заполнения им поверхности.

Еще

Диффузия, литий, кремний

Короткий адрес: https://sciup.org/148177440

IDR: 148177440

Список литературы Теоретическое исследование внедрения атомов лития в кремний

Nikolaev V. P., Morachevskii A. G., Demidov A. I., Bairachnyi E. V. Thermodynamic properties of solid alloys of lithium-silicon. Russ. J. Appl. Chem. 1980, Vol. 53 (9), Р. 1549-1551.
Boukamp B. A., Lesh G. C., Huggins R. A. All-Solid Lithium Electrodes with Mixed-Conductor Matrix. J. Electrochem. Soc. 1981, Vol. 128, P. 725-729.
Okamoto H. The Li-Si (Lithium-Silicon) system. Journal of Phase Equilibria. 1990, Vol. 11, P. 306.
Obrovac M. N. Christensen L. Structural changes in silicon anodes during lithium insertion/extraction. Electrochim. Solid-State Lett. 2004, Vol. 7, P. A93-A96.
Kasavajjula U., Wang C., Appleby A. J. Nanoand bulk-silicon-based insertion anodes for lithium-ion secondary cells. J. Power Sources. 2007, Vol. 163, P. 1003-1039.
Huggins R. A. Lithium alloy negative electrodes. J. Power Sources. 1999, Vol. 81-82, P. 13-19.
Beaulieu L. Y., Eberman K. W., Turner R. L., Krause L. J., Dahn J. R. Colossal Reversible Volume Changes in Lithium Alloys. Electrochem. Solid-State Lett. 2001, Vol. 4, P. A137-A140.
Anani A., Crouch-Baker S., Huggins R. A. Kinetic and Thermodynamic Parameters of Several Binary Lithium Alloy Negative Electrode Materials at Ambient Temperature. Journal of the Electrochemical Society. 1987, Vol. 134, P. 3098.
Wen C. J. Chemical diffusion in intermediate phases in the lithium-silicon system. J. Sol. St. Chem. 1981, Vol. 37, P. 271.
Li H., Huang X. J., Chen L. Q., Zhou G., Zhang Z., Yu D., Mo Y. J., Pei N. The crystal structural evolution of nano-Si anode caused by lithium insertion and extraction at room temperature. Solid State Ionics. 2000, Vol. 135, P. 181.
Besenhard J. O., Yang Y., Winter M. Will advanced lithium-alloy anodes have a chance in lithium-ion batteries. J. Power Sources. 1997, Vol. 68, P. 87.
Fedorov A. S., Popov Z. I., Kuzubov A. A., Ovchinnikov S. G. Theoretical study of the diffusion of lithium in crystalline and amorphous silicon. JETP Letters. 2012, Vol. 95, Iss. 3, P. 143-147.
Allen C. E., Beke D. L., Bracht H. Group III: Condensed Matter. 1997, No. 3, P. 2.
Takamura T., Ohara S., Uehara M., Suzuki J., Sekine K. A vacuum deposited Si film having a Li extraction capacity over 2000 mAh/g with a long cycle life. J. Power Sources. 2004, Vol. 129 (1), P. 96-100.
Yin J. T., Wada M., Yamamoto K., Kitano Y., Tanase S., Sakai T. Micrometer-Scale Amorphous Si Thin-Film Electrodes Fabricated by Electron-Beam Deposition for Li-Ion Batteries. J. Electrochem. Soc. 2006, Vol. 153 (3), P. A472-A477.
Zhang Q., Zhang W., Wan W., Cui Y. Wang E. Lithium Insertion In Silicon Nanowires: An ab Initio Study. Nano Lett. 2010, Vol. 10, P. 3243-3249.
Chan C. K., Peng H. L., Liu G., McIlwrath K., Zhang X. F., Huggins R. A., Cui Y. High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires. Nat. Nanotechnol. 2008, Vol. 3 (1), P. 31-35.
Liu X., Zhang H. L. Q., Zhong L., Liu Y., Zheng H., Wang J. W., Cho J.-H., Dayeh S. A., Picraux S. T., Sullivan J. P., Mao S. X., Ye Z. Z., Huang J. Y. Ultrafast Electrochemical Lithiation of Individual Si Nanowire Anodes. Nano Lett. 2011, Vol. 11 (6), P. 2251-2258.
Dimov N., Kugino S., Yoshio M. Carbon-coated silicon as anode material for lithium ion batteries: advantages and limitations. Electrochim. Acta. 2003, Vol. 48 (11), P. 1579-1587.
Kim H., Seo M., Park M.-H. A Critical Size of Silicon Nano-Anodes for Lithium Rechargeable Batteries. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, Vol. 49 (12), P. 2146-2149.
Chan C. K., Patel R. N., O’Connell M. J., Korgel B. A., Cui Y. Solution-Grown Silicon Nanowires for Lithium-Ion Battery Anodes. ACS Nano. 2010, Vol. 4, P. 1443-1450.
Park M. H., Kim M. G., Joo J., Kim K., Kim J., Ahn S., Cui Y., Cho J. Silicon Nanotube Battery Anodes. Nano Lett. 2009, Vol. 9 (11), P. 3844-3847.
Song T., Xia J., Lee J.-H., Lee D. H., Kwon M.-S., Choi J.-M., Wu J., Doo S. K., Chang H., Park W., Zang D. S., Kim H., Huang Y., Hwang K.-C., Rogers J. A., Paik U. Arrays of Sealed Silicon Nanotubes As Anodes for Lithium Ion Batteries. Nano Lett. 2010, Vol. 10 (5). P. 1710-1716.
Zhou S., Wang D. W. Unique Lithiation and Delithiation Processes of Nanostructured Metal Silicides. ACS Nano. 2010, Vol. 4 (11), P. 7014-7020.
Ng S. H., Wang J. Z., Wexler D., Konstantinov K., Guo Z. P., Liu H. K. Highly Reversible Lithium Storage in Spheroidal Carbon-Coated Silicon Nanocomposites as Anodes for Lithium-Ion Batteries. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, Vol. 45, P. 6896-6899.
Kim H., Han B., Choo J., Cho J. Three-Dimensional Porous Silicon Particles for Use in High-Performance Lithium Secondary Batteries. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, Vol. 47 (52), P. 10151-10154.
Yao Y., McDowell M.T., Ryu I., Wu H., Liu N., Hu L., Nix W. D., Cui Y. Interconnected Silicon Hollow Nanospheres for Lithium-Ion Battery Anodes with Long Cycle Life. Nano Lett. 2011, Vol. 11 (7), P. 2949-2954.
Wang X. L., Han W. Q. Graphene Enhances Li Storage Capacity of Porous Single-Crystalline Silicon Nanowires. ACS Appl. Mater. Inter. 2010, Vol. 2 (12), P. 3709-3713.
Sun C. Y., Qin C., Wang C. G., Su Z. M., Wang S., Wang X. L., Yang G. S., Shao K. Z., Lan Y. Q., Wang E. B. Chiral Nanoporous Metal-Organic Frameworks with High Porosity as Materials for Drug Delivery. Adv. Mater. 2011, Vol. 23 (47), P. 5629.
Qu Y. Q., Liao L., Li Y. J., Zhang H., Huang Y., Duan X. F. Electrically conductive and Optically Active Porous Silicon Nanowires. Nano Lett. 2009, Vol. 9, P. 4539-4543.
Magasinski A., Dixon P., Hertzberg B., Kvit A., Ayala J., Yushin G. High-performance lithium-ion anodes using a hierarchical bottom-up approach. Nat. Mater. 2010, Vol. 9, P. 353-358.
Ge M., Rong J., Xin F., Zhou C. Porous doped silicon nanowires for lithium ion battery anode with long cycle life. Nano Lett. 2012, Vol. 12, P. 2318-2323.
Kleine H., Eckhardt M., Fick D. Mean residence time of Li atoms adsorbed on Si(100) and Si(111) surfaces. Surface Science. 1995, Vol. 329, P. 71.
Peng B., Cheng F., Tao Z., Che J. Lithium transport at silicon thin film: Barrier for high-rate capability anode. J. Chem. Phys. 2010, Vol. 133, P. 034701.
Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals. Phys. Rev. B. 1993, Vol. 47, P. 558.
Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal-amorphous-semiconductor transition in germanium. Phys. Rev. B. 1994, Vol. 49, P. 14251.
Kresse G., Furthműller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Phys. Rev. B. 1996, Vol. 54, P. 11169.
Hohenberg H., Kohn W. Inhomogenius Electron Gas. Phys. Rev. А. 1964, Vol. 136, P. B864-B871.
Kohn W., Sham L. J. Self-Consistent Equations including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev. А. 1965, Vol. 140, P. A1133-A1138.
Blochl P. E. Projector augmented-wave method. Phys. Rev. B. 1994, Vol. 50, P. 17953.
Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Phys. Rev. B. 1999, Vol. 59, P. 1758-1775.
Grimme S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction. J. Comp. Chem. 2006, Vol. 27, P. 1787.
Henkelman G., Uberuaga B. P., Jonsson H. Improved tangent estimate in the nudged elastic band method for finding minimum energy paths and saddle points. J. Chem. Phys. 2000, Vol. 113, P. 9901.
Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B. 1976, Vol. 13, P. 5188.
Battaglia C. Structure and stability of the Si (331)-(12 × 1) surface reconstruction investigated with first-principles density functional theory. Physical Review B. 2009, Vol. 80, P. 214102.
Stekolnikov A. A., Furthmüller J., Bechstedt F. Absolute surface energies of group-IV semiconductors: dependence on orientation and reconstruction. Physical Review B. 2002, Vol. 65, P. 115318.
Jung S. C., Han Y. K. Facet-dependent lithium intercalation into Si crystals: Si (100) vs. Si (111). Physical Chemistry Chemical Physics. 2011, Vol. 13, P. 21282-21287.
Bracht H., Stolwijk N. A. Diffusion in Si. Diffusion in Semiconductors. Springer Berlin Heidelberg, 1998, P. 16.
Johansson M.K.-J., Gray S. M., Johansson L. S. O. Low coverages of lithium on Si(001) studied with STM and ARUPS/M.K.-J. Johansson. Phys. Rev. B. 1996, Vol. 53, P. 1362.
Johansson L. S. O., Grehk T. M., Gray S. M., Johansson M., Flodström A. S. High resolution core-level spectroscopy study of low-coverage lithium adsorption on the Si(100)2 × 1 surface. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1995, Vol. 97, P. 364.
Grehk T. M., Johansson L. S. O., Gray S. M., Johansson M., Flodström A. S. Absorption of Li on the Si(100)2×1 surface studied with high-resolution core-level spectroscopy. Phys. Rev. B. 1995, Vol. 52, P. 16593.
Shi H. Q., Radny M. W., Smith P. V. Atomic and electronic structure of the Si(0 0 1)2 × 1-Li chemisorption system at 1.0 monolayer coverage. Surf. Sci. 2005, Vol. 574, P. 233.
Ko Y.-J., Chang K. J., Yi J.-Y. Atomic and electronic structure of Li-adsorbed Si(100) surfaces. Phys. Rev. B. 1997, Vol. 56, P. 9575.
Voevodin V. V., Zhumatii S. A., Sobolev S. I., Antonov A. S., Bryzgalov P. A., Nikitenko D. A., Stefanov K. S., Voevodin Vad. V. . Otkrytye sistemy. 2012, No. 7, P. 36.
Peng K. Q., Jie J. S., Zhang W. J., Lee S. T. Silicon nanowires for rechargeable lithium-ion battery anodes. Appl. Phys. Lett. 2008, Vol. 93 (3), P. 033105-033107.

Еще

Статья научная