Revealing the growth of copper on polystyrene-block-poly(ethylene oxide) diblock copolymer thin films with in situ GISAXS

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作者
Simon J. Schaper,Franziska C. Löhrer,Senlin Xia,Christina Geiger,Matthias Schwartzkopf,Pallavi Pandit,Jan Rubeck,Björn Fricke,Susann Frenzke,A. Hinz,Niko Carstens,Oleksandr Polonskyi,Thomas Strunskus,Franz Faupel,Stephan V. Roth,Peter Müller‐Buschbaum
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (23): 10555-10565 被引量:19
标识
DOI:10.1039/d1nr01480c
摘要

Copper (Cu) as an excellent electrical conductor and the amphiphilic diblock copolymer polystyrene-block-poly(ethylene oxide) (PS-b-PEO) as a polymer electrolyte and ionic conductor can be combined with an active material in composite electrodes for polymer lithium-ion batteries (LIBs). As interfaces are a key issue in LIBs, sputter deposition of Cu contacts on PS-b-PEO thin films with high PEO fraction is investigated with in situ grazing-incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS) to follow the formation of the Cu layer in real-time. We observe a hierarchical morphology of Cu clusters building larger Cu agglomerates. Two characteristic distances corresponding to the PS-b-PEO microphase separation and the Cu clusters are determined. A selective agglomeration of Cu clusters on the PS domains explains the origin of the persisting hierarchical morphology of the Cu layer even after a complete surface coverage is reached. The spheroidal shape of the Cu clusters growing within the first few nanometers of sputter deposition causes a highly porous Cu-polymer interface. Four growth stages are distinguished corresponding to different kinetics of the cluster growth of Cu on PS-b-PEO thin films: (I) nucleation, (II) diffusion-driven growth, (III) adsorption-driven growth, and (IV) grain growth of Cu clusters. Percolation is reached at an effective Cu layer thickness of 5.75 nm.
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