原子力顯微鏡可在大氣、液相以及超高真空環(huán)境下對(duì)各類材料在納米尺度進(jìn)行物理特性分析測(cè)量或納米操縱,已成為納米科學(xué)研究的重要工具。本文綜述了各類功能化原子力顯微鏡基本原理及其在鋰電池、電化學(xué)催化和太陽(yáng)能電池等能源材料領(lǐng)域的應(yīng)用,并對(duì)原子力顯微鏡功能化發(fā)展在表征技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。 

【文章來(lái)源】：電子顯微學(xué)報(bào). 2020,39(04)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：17 頁(yè)

【部分圖文】：

a. AFM基本工作原理;b. 峰值力曲線周期(左),相應(yīng)的定量測(cè)量(右);c. 探針與樣品間受力-距離曲線;d. 抬起掃描模式的主掃描與間隔掃描;e. SECM納米探針的SEM圖像[16];f. 電化學(xué)原位原子力顯微鏡(EC-AFM)工作示意圖[17]; g. 原子力顯微鏡與紅外光譜聯(lián)用工作示意圖。

硅負(fù)極材料在充放電過(guò)程中,理論體積伸縮可達(dá)400%。Kumar等[37]采用AFM輕敲模式對(duì)硅基材料進(jìn)行前三圈循環(huán)掃描。如圖2e所示,電解液在硅基表面可以先形成完整的SEI膜,在后續(xù)的鋰化過(guò)程中,SEI膜出現(xiàn)了明顯的裂縫,并在脫硫過(guò)程中隨著Si的收縮,表面的裂紋無(wú)法完全閉合。經(jīng)過(guò)多次循環(huán),裂紋會(huì)逐漸加寬加深,SEI膜也有可能會(huì)分離和剝落。萬(wàn)立駿和文銳等[38]首先通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備了大面積超平面單層MoS2電極負(fù)極材料,然后利用EC-AFM原位研究其SEI膜成膜過(guò)程,以及電解質(zhì)添加劑對(duì)改善成膜性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)單層MoS2陽(yáng)極在成膜前期出現(xiàn)明顯的納米顆粒核,隨著鋰化作用的進(jìn)行,隆起物以褶皺的形式生長(zhǎng)、繁殖和分枝如圖3a,最終在界面處演化為平面納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。由于MoS2陽(yáng)極材料在平面內(nèi)產(chǎn)生雙軸壓縮力,導(dǎo)致微應(yīng)變變形發(fā)展出皺紋,網(wǎng)格分布的納米點(diǎn)的溝壑和溝谷是這些皺紋促成的。負(fù)極材料中,鋰金屬作為高比容量材料,一直具有鋰離子電池“圣杯”之稱。鋰金屬存在的普遍問(wèn)題是鋰枝晶的生長(zhǎng)、鋰枝晶刺破隔膜造成短路,以及鋰枝晶的斷裂造成“死鋰”。毛秉偉和董全鋒等[39]通過(guò)電化學(xué)拋光(多電位步驟的電化學(xué)剝離和沉積)后,利用AFM觀察到鋰金屬具有更少的微觀缺陷(圖3b),進(jìn)一步構(gòu)建了無(wú)機(jī)-有機(jī)-無(wú)機(jī)的SEI膜。通過(guò)力學(xué)原子力顯微鏡進(jìn)行納米壓應(yīng),發(fā)現(xiàn)所制備的SEI膜具有更高的楊氏模量和更好的韌性,能夠更好地抑制鋰枝晶的形成,并有效阻止鋰枝晶穿過(guò)SEI膜。Goodenough等[40]通過(guò)氟化石墨(GF)在金屬鋰負(fù)極獲得了具有疏水性的復(fù)合GF-LiF-Li層,能夠有效地穩(wěn)定工作陽(yáng)極的界面,使得新鮮的Li金屬在循環(huán)過(guò)程中不會(huì)與電解液中的有機(jī)溶劑接觸。然后該研究利用AFM觀察了具有GF-LiF-Li層陽(yáng)極和裸Li陽(yáng)極循環(huán)30圈后的表面形貌,研究表明相對(duì)于裸Li循環(huán)后形成粗糙的孔洞形貌,具有GF-LiF-Li保護(hù)層的陽(yáng)極比較光滑,幾乎觀察不到明顯的鋰枝晶生長(zhǎng)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)QNM作力曲線,進(jìn)一步得到了GF-LiF-Li層比裸鋰金屬層具有更大的粘附力和能量耗散,說(shuō)明GF-LiF-Li層具有更好的彈性,可以有效抑制鋰金屬的生長(zhǎng)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Chlorophyll-based organic solar cells with improved power conversion efficiency[J]. Shenghan Wang,Shengnan Duan,Yuwei Wang,Chenglin Sun,Xiao-Feng Wang,Shin-ichi Sasaki.  Journal of Energy Chemistry. 2019(11)
[2]AFM探針針尖與試件表面接觸力計(jì)算方法研究[J]. 程國(guó)東,楊曉京.  電子顯微學(xué)報(bào). 2015(03)
[3]無(wú)鎘的銅銦鎵硒太陽(yáng)電池關(guān)鍵膜層X(jué)PS及AFM分析[J]. 廖榮,張海燕,王道然,楊鐵錚,范宇.  電子顯微學(xué)報(bào). 2014(03)
[4]不同基底上Au納米粒子的2D組裝與AFM表征[J]. 劉曉軍,宋麗云,展宗城,何洪,張桂臻,邱文革,訾學(xué)紅.  電子顯微學(xué)報(bào). 2014(02)
[5]原子力顯微鏡的幾種成像模式簡(jiǎn)介[J]. 陳注里,李英姿,錢(qián)建強(qiáng),陽(yáng)睿.  電子顯微學(xué)報(bào). 2013(02)



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