Electrochemical layer by layer growth of chalcogenide thin films on Ag(111)

This thesis project was conducted at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, in Surface Diffraction Beamline ID03. The project aim of the project was the deposition and the characterization of chalcogenide thin films on the surface (111) of a silver single crystal substrate. Chalcogenides are promising candidates for the fabrication of anodes for lithium-ion batteries. In fact chalcogenide based anodes show improved performances, both increasing the lifetime and the capacity of the batteries. In the experimental it is described the instrumentation used in the experimental work (the electrochemical system and the x-rays diffractometer) and an introduction to the methods used for the synthesis and the characterization of the samples (electrochemical atomic layer epitaxy, Bragg diffraction and reflectivity measurements). A brief overview on the state of the art of the deposition of antimony and zinc chalcogenides is reported as introduction to the result section. In this section methods and deposition parameters of each chalcogenide (Sb2S3, Sb2Te3, Sb2Se3 and ZnSe) are described as well as the outcomes of the electrochemical characterization. The results of an extensive structural investigation conducted on ZnSe thin films are also reported.

Questo progetto di tesi e’ stato svolto presso i laboratori dell’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble, nello specifico presso la beamline ID03, specializzata in diffrazione da superfici. Lo scopo del progetto era la deposizione e la caratterizzazione di film sottili di calcogenuri depositati sulla superficie (111) di argento monocristallino. I calcogenuri sembrano essere ottimi candidati per la fabbricazione di anodi per batterie al litio. Anodi preparati con questi materiali infatti presentano migliori prestazioni in termini di vita e capacita’ delle batterie, limitando la cause di irreversibilità durante la reazione di litiazione/delitiazione. Nella sezione sperimentale viene descritta la strumentazione utilizzata per la deposizione dei film (elettrodi, cella elettrochimica e sistema di interscambio delle soluzioni), quella necessaria alla preparazione del substrato e il diffrattometro per raggi x utilizzato per la caratterizzazione del campione. Sono state infine illustrate le tecniche mediante le quali sono stati condotti gli esperimenti: deposizione elettrochimica e specificamente electrochemical atomic layer epitaxy (ECALE), diffrazione di Bragg e misure di riflettività del campione. La sezione dei risultati viene introdotta da una panoramica sullo stato dell’arte della deposizione di calcogenuri di antimonio e zinco. In questa sezione vengono descritti i metodi e i parametri di deposizione per ogni calcogenuro studiato (Sb2S3, Sb2Te3, Sb2Se3 e ZnSe) ed i risultati della caratterizzazione elettrochimica. Vengono inoltre descritti i risultati di una analisi più approfondita su campioni di ZnSe atta a indagare la struttura nel piano e fuori dal piano del film mediante esperimenti di riflettività e di diffrazione di Bragg.