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De Andrade V, Nikitin V, Wojcik M, Deriy A, Bean S, Shu D, Mooney T, Peterson K, Kc P, Li K, Ali S, Fezzaa K, Gürsoy D, Arico C, Ouendi S, Troadec D, Simon P, De Carlo F, Lethien C. Fast X-ray Nanotomography with Sub-10 nm Resolution as a Powerful Imaging Tool for Nanotechnology and Energy Storage Applications. Adv Mater 2021; 33:e2008653. [PMID: 33871108 DOI: 10.1002/adma.202008653] [Citation(s) in RCA: 5] [Impact Index Per Article: 1.7] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/22/2020] [Revised: 02/23/2021] [Indexed: 06/12/2023]
Abstract
In the last decade, transmission X-ray microscopes (TXMs) have come into operation in most of the synchrotrons worldwide. They have proven to be outstanding tools for non-invasive ex and in situ 3D characterization of materials at the nanoscale across varying range of scientific applications. However, their spatial resolution has not improved in many years, while newly developed functional materials and microdevices with enhanced performances exhibit nanostructures always finer. Here, optomechanical breakthroughs leading to fast 3D tomographic acquisitions (85 min) with sub-10 nm spatial resolution, narrowing the gap between X-ray and electron microscopy, are reported. These new achievements are first validated with 3D characterizations of nanolithography objects corresponding to ultrahigh-aspect-ratio hard X-ray zone plates. Then, this powerful technique is used to investigate the morphology and conformality of nanometer-thick film electrodes synthesized by atomic layer deposition and magnetron sputtering deposition methods on 3D silicon scaffolds for electrochemical energy storage applications.
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Affiliation(s)
- Vincent De Andrade
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Viktor Nikitin
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Michael Wojcik
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Alex Deriy
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Sunil Bean
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Deming Shu
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Tim Mooney
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Kevin Peterson
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Prabhat Kc
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Kenan Li
- Applied Physics, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA
- Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA, 94025, USA
| | - Sajid Ali
- Applied Physics, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA
| | - Kamel Fezzaa
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Doga Gürsoy
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Cassandra Arico
- Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille, CNRS, Centrale Lille Institut, YNCREA-ISEN, Université Polytechnique des Hauts de France UPHF, CNRS UMR 8520-IEMN, Lille, F-59000, France
- Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT), CNRS UMR 5085 - Université Paul Sabatier, Toulouse, 31062, France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E), CNRS FR 3459, Amiens Cedex, 80039, France
| | - Saliha Ouendi
- Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille, CNRS, Centrale Lille Institut, YNCREA-ISEN, Université Polytechnique des Hauts de France UPHF, CNRS UMR 8520-IEMN, Lille, F-59000, France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E), CNRS FR 3459, Amiens Cedex, 80039, France
| | - David Troadec
- Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille, CNRS, Centrale Lille Institut, YNCREA-ISEN, Université Polytechnique des Hauts de France UPHF, CNRS UMR 8520-IEMN, Lille, F-59000, France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E), CNRS FR 3459, Amiens Cedex, 80039, France
| | - Patrice Simon
- Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT), CNRS UMR 5085 - Université Paul Sabatier, Toulouse, 31062, France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E), CNRS FR 3459, Amiens Cedex, 80039, France
| | - Francesco De Carlo
- X-ray Science Division, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA
| | - Christophe Lethien
- Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille, CNRS, Centrale Lille Institut, YNCREA-ISEN, Université Polytechnique des Hauts de France UPHF, CNRS UMR 8520-IEMN, Lille, F-59000, France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E), CNRS FR 3459, Amiens Cedex, 80039, France
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Arico C, Ouendi S, Taberna PL, Roussel P, Simon P, Lethien C. Fast Electrochemical Storage Process in Sputtered Nb 2O 5 Porous Thin Films. ACS Nano 2019; 13:5826-5832. [PMID: 31067028 DOI: 10.1021/acsnano.9b01457] [Citation(s) in RCA: 3] [Impact Index Per Article: 0.6] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/09/2023]
Abstract
The formation of a thin film electrode exhibiting high capacity and high rate capabilities is challenging in the field of miniaturized electrochemical energy storage. Here, we present an elegant strategy to tune the morphology and the properties of sputtered porous Nb2O5 thin films deposited on Si-based substrates via the magnetron sputtering deposition technique. Kinetic analysis of the redox reactions is studied to qualify the charge storage process, where we observe a non-diffusion-controlled mechanism within the porous niobium pentoxide thin film. To improve the surface capacity of the Nb2O5 porous electrode, the thickness is progressively increased up to 0.94 μm, providing a surface capacity close to 60 μAh·cm-2 at 1 mV·s-1. The fabrication of high energy density miniaturized power sources based on the optimized T-Nb2O5 films could be achieved for Internet of Things applications requiring high rate capability.
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Affiliation(s)
- Cassandra Arico
- Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille , CNRS, Centrale Lille, ISEN, Université de Valenciennes, UMR 8520-IEMN, F-59000 Lille , France
- Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) , CNRS UMR 5085, Université Paul Sabatier, 118 Route de Narbonne , 31062 Toulouse , France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) , CNRS FR 3459, 33 Rue Saint Leu , 80039 Amiens Cedex , France
| | - Saliha Ouendi
- Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille , CNRS, Centrale Lille, ISEN, Université de Valenciennes, UMR 8520-IEMN, F-59000 Lille , France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) , CNRS FR 3459, 33 Rue Saint Leu , 80039 Amiens Cedex , France
| | - Pierre-Louis Taberna
- Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) , CNRS UMR 5085, Université Paul Sabatier, 118 Route de Narbonne , 31062 Toulouse , France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) , CNRS FR 3459, 33 Rue Saint Leu , 80039 Amiens Cedex , France
| | - Pascal Roussel
- Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS) , Université de Lille, CNRS, Centrale Lille, ENSCL, Université d'Artois , UMR 8181-UCCS, F-59000 Lille , France
| | - Patrice Simon
- Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) , CNRS UMR 5085, Université Paul Sabatier, 118 Route de Narbonne , 31062 Toulouse , France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) , CNRS FR 3459, 33 Rue Saint Leu , 80039 Amiens Cedex , France
| | - Christophe Lethien
- Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, Université de Lille , CNRS, Centrale Lille, ISEN, Université de Valenciennes, UMR 8520-IEMN, F-59000 Lille , France
- Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) , CNRS FR 3459, 33 Rue Saint Leu , 80039 Amiens Cedex , France
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