通过冷冻聚焦离子束铣削与扫描电子显微镜和光谱学耦合，对液固界面进行纳米级表征

摘要

低温聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM）技术可以为完整固液界面的化学和形态提供关键见解。详细介绍了制备此类界面的高质量能量色散X射线（EDX）光谱图的方法，重点是储能器件。

摘要

固液界面的物理和化学过程在许多自然和技术现象中起着至关重要的作用，包括催化，太阳能和燃料产生以及电化学能量储存。最近使用低温电子显微镜实现了这种界面的纳米级表征，从而为推进我们对界面过程的基本理解提供了一条新的途径。

这一贡献为使用集成低温电子显微镜方法绘制材料和器件中固液界面的结构和化学性质提供了实用指南。在这种方法中，我们将低温样品制备与低温聚焦离子束（cryo-FIB）铣削相结合，通过这些复杂的埋藏结构创建横截面，从而稳定固液界面。在双光束FIB / SEM中执行的低温扫描电子显微镜（cryo-SEM）技术可实现纳米级的直接成像和化学映射。我们讨论实际挑战，克服这些挑战的策略，以及获得最佳结果的方案。虽然我们在讨论储能设备中的接口时重点关注，但概述的方法广泛适用于固液界面起关键作用的一系列领域。

引言

固体和液体之间的界面在电池，燃料电池和超级电容器等能源材料的功能中起着至关重要的作用^1，2，3。虽然表征这些界面的化学和形态可以在改善功能器件方面发挥核心作用，但这样做带来了巨大的挑战^1，3，4。液体与许多常见表征技术所需的高真空环境不相容，例如X射线光发射光谱，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜²。从历史上看，解决方案一直是从设备中除去液体，但这是以牺牲界面^2，4 处的潜在破坏性脆弱结构或修改形态³为代价的。在电池的情况下，特别是那些使用高活性碱金属的电池，这种物理损伤在暴露于空气⁵时因化学降解而加剧。

本文描述了冷冻SEM和聚焦离子束（FIB）作为保存和表征固液界面的方法。类似的方法已被证明可以保存生物样品^6，7，⁸，能量器件⁵，^{9，10，11，12}和纳米级腐蚀反应中的细胞结构^13，14，15.该技术的关键是通过在淤泥氮中冷冻来玻璃化样品，然后将其转移到显微镜中，然后将其置于低温冷却的载物台上。玻璃化在显微镜的真空中稳定液体，同时避免与结晶相关的结构变形^6，8。一旦进入显微镜，双光束系统允许用电子束进行纳米级成像，并用聚焦离子束制备横截面。最后，通过能量色散X射线（EDX）映射实现化学表征。总而言之，冷冻SEM / FIB可以保留固液界面的天然结构，创建横截面，并提供化学和形态学表征。

除了提供冷冻SEM和EDX映射的一般工作流程外，本文还将介绍多种方法来减轻铣削和成像过程中的伪影。通常玻璃化液体是脆弱和绝缘的，使它们容易充电以及光束损坏⁸。虽然已经建立了许多技术来减少室温16^，17，18下样品中的这些不良影响，但已经针对低温应用进行了一些改进。特别是，该程序详细介绍了导电涂层的应用，首先是金钯合金，然后是更厚的铂层。此外，还提供了说明，以帮助用户在充电发生时识别充电，并调整电子束条件以减轻电荷的积累。最后，尽管光束损伤与充电具有许多共同的特征，但两者可以彼此独立发生¹⁶，并且提供了在最有可能的步骤中最小化光束损伤的指南。

虽然双光束SEM / FIB不是唯一适用于低温操作的电子显微镜工具，但它特别适合这项工作。通常，像电池这样的逼真的设备的大小在几厘米的范围内，而许多感兴趣的特征在微米到纳米的数量级上，最有意义的信息可以包含在界面^4，5，19的横截面中。虽然扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失光谱（EELS）等技术使成像和化学映射能够精确到原子尺度，但它们需要大量的准备工作才能使样品足够薄以使电子透明，从而极大地限制了通量^{3，4，19，20，21，22}.相比之下，Cryo-SEM允许快速探测宏观器件中的接口，例如锂金属电池纽扣电池的阳极，尽管分辨率较低，为数十纳米。理想情况下，应用一种利用这两种技术优势的组合方法。在这里，我们专注于更高通量的低温FIB / SEM技术。

锂金属电池被用作这项工作的主要测试案例，它们证明了低温SEM技术的广泛实用性:它们具有科学兴趣的微妙结构^4，5，^{9，10，11，12}，具有通过EDX²揭示的化学性质差异很大，并且需要低温技术来保存活性锂^5，21.特别是，称为枝晶的不均匀锂沉积物以及与液体电解质的界面被保留下来，并且可以用EDX^4，5，¹²进行成像和映射。此外，锂通常会在制备过程中氧化，并在研磨过程中与镓形成合金，但保存的电解质可防止氧化，低温可减轻与镓⁵的反应。许多其他系统（特别是能源设备）具有类似的精细结构，复杂的化学成分和反应性材料，因此冷冻SEM在锂金属电池研究上的成功可以被认为是一个有希望的迹象，表明它也适用于其他材料。

该协议使用双光束FIB / SEM系统，该系统配有低温台，低温制备室和低温转移系统，详见材料表。为了制备冷冻固定的样品，有一个带有"雪泥锅"的工作站，这是一个泡沫绝缘锅，位于工作站的真空室中。泡沫绝缘双锅式吸气器包含一个主氮气室和一个副腔室，该室环绕前者并减少锅的主要部分的沸腾。一旦充满氮气，盖子被放置在锅上，整个系统可以被抽真空以形成搪泥氮气。具有小型真空室的转移系统用于在真空下将样品转移到显微镜的制备或"制备"室。在制备室中，样品可以保持在-175°C并溅射涂有导电层，例如金钯合金。制备室和SEM室都具有用于容纳样品的低温冷却平台，以及用于吸附污染物并防止冰在样品上积聚的抗污染器。整个系统用氮气冷却，氮气流经浸没在液氮中的热交换器，然后通过系统的两个低温级和两个抗污染器。

研究方案

1.准备样品并转移到SEM室中

1. 设置显微镜
   1. 对于在室温和低温设备之间转换的系统，请根据设备制造商的说明安装低温SEM平台和抗污染器，并排空SEM室。
   2. 调整气体注入系统（GIS）铂源，使其在插入时与典型的室温实验相比，距离样品表面约5 mm。需要针对每个系统优化此位置，以确保样品表面涂层均匀。在这里使用的FIB上，这是通过松开GIS源侧面的固定螺钉并顺时针旋转环3圈来完成的。
   3. 将GIS温度设置为28°C，在此温度下打开百叶窗和通风口30秒，以清除多余的材料。在室温下这样做，因为有机金属会涂覆任何寒冷的表面。
   4. 将载物台移动到适当的位置，以便将样品穿梭车从制备室加载到SEM中（这将因系统而异）。
   5. 让SEM室抽真空至少8小时，以建立足够低的真空（通常约为4E-6 Torr），以尽量减少实验过程中的冰污染。
2. 设置低温制备站
   1. 使用前抽真空隔离管路8小时。
   2. 在冷却显微镜之前，将干燥的氮气流过气体管路约15分钟。这应该在大约5 L / min或系统的最大流速下完成。这样可以冲洗系统中的水分，以减轻冷却时管路中结冰的形成，从而阻碍气体的流动。
   3. 当气体仍以最大流速流动时，关闭真空隔离管路的阀门，然后将热交换器转移到液氮杜瓦瓶中。
   4. 将SEM和制备阶段的温度设置为-175°C，将抗污染器的温度设置为-192°C。 等到所有元素都达到设定温度后再继续。
3. 玻璃化样品。
   1. 填充氮气双锅吸盘。首先填充锅的主要体积，然后填充其周围的体积以减少氮气鼓泡。根据需要继续向每个液氮添加更多液氮，直到沸腾停止。
   2. 用盖子密封吸盘机，然后启动雪泥泵。继续泵送，直到液氮开始凝固。
   3. 开始排出雪泥锅。对于锂电池等空气敏感材料，这是准备样品进行暴跌冷冻的好时机。
   4. 一旦压力足够高，可以打开锅，快速但轻轻地将样品置于氮气中，并至少等到样品周围的沸腾停止后再继续。此时从液氮中取出所有工具，以减少冰污染的机会。
   5. 如果搪浆锅的满数不足一半，请加入更多的液氮。
   6. 将样品转移到SEM穿梭机。将固定或转移样品所需的任何工具放入液氮罐中，并让它们完全冷却，即，在接触样品或穿梭物之前，至少要等到LN₂ 在每个工具周围停止沸腾。长时间暴露在大气中，特别是在潮湿时，会导致液氮中形成冰晶，因此最好快速完成此步骤。
   7. 将穿梭车连接到传输杆上。与其他工具一样，在接触穿梭机之前，在LN₂ 中预冷杆的末端。
   8. 泵上搪打锅并观察压力。在氮气开始冻结之前，将样品从液氮中取出，并将其密封在转移系统的真空室中。通常，这可以通过在压力约为8 mbar时将穿梭车向上抬起来完成。
   9. 快速转移到输送系统上的制备室和泵的气闸。一旦气闸压力足够低，就打开传输系统的真空室，以便在没有太大力的情况下完成此操作。
   10. 一旦可以打开制备室，将样品穿梭快速转移到腔室中并放置在冷却的制备阶段。缩回传输杆并关闭气闸门。
   11. 此时，可以将~5-10 nm的金钯层溅射到样品表面上以减轻电荷。典型起始值为10 mA，持续10 s，但应针对每个系统调整这些参数。或者，可以对未涂覆的表面进行成像，评估充电程度，然后转移回制备室以溅射涂层。
   12. 重新打开气闸，连接传输杆，等待1分钟，让杆的末端冷却下来。然后，打开阀门进入主SEM室，并尽可能快速，平稳地将样品穿梭转移到冷却的SEM载物台上。缩回转移杆并将其存放在真空下，以防止再次需要时受到冰污染。
       注意:液氮如果接触皮肤会造成伤害。在穿戴适当的个人防护装备时小心处理。不要放在密封的容器中，因为蒸发会导致压力积聚。

2. 对样品表面进行成像并定位特征

注意:开始成像所需的设置时间通常足以使样品在冷冻台上达到热平衡，特别是如果制备室和SEM室中的两个阶段都冷却到相同的温度，并且穿梭机从一个阶段到另一个阶段的转移时间最小化。

1. 在成像之前设置光束参数，从中等电压（~5 kV）和中等电流（~0.4 nA）开始。对于特别精细的样品，用户可能希望降低这些值，而更坚固的样品可以承受更高的电压和电流。
2. 从低放大倍率 （100x） 开始对表面进行成像，对焦并执行仪器所需的任何步骤。例如，在FIB用户这里，测得的工作距离必须与载物台位置相关联。在以较高放大倍率聚焦之前，评估样品的对比度或形状变化，以减少充电。
3. 将样品带到大约偏心的高度，并拍摄另一张相对较低的放大倍率图像（100-200x）。
4. 使用玻璃化液体选择牺牲测试区域，并识别由于光束损坏或充电而导致的潜在问题。以100倍放大率开始成像5秒，然后将放大倍率增加到约1，000倍，再成像5秒，然后将放大倍率降低到100倍，收集一张图像并暂停光束。如果在高放大倍率下暴露的区域对比度发生变化，则样品可能会损坏或充电，用户应再次考虑调整光束参数或重新溅射镀膜。有关更详细的过程，请参见参考文献¹⁸。
5. 在示例中搜索感兴趣的区域。该过程将因样品而异，可能需要一些实验。明显延伸到周围表面上方的特征可能会导致玻璃化液体以类似的方式凸起，而其他特征可能被隐藏。
   1. 如果无法找到感兴趣的要素，则 EDX 地图可能会有所帮助。由于样品仍然垂直于电子束，请按照步骤4中描述的EDX映射过程进行操作。
6. 找到感兴趣的特征后，保存表面的低倍率和高倍率图像以及载物台位置。
7. 重复上述步骤以查找所需数量的站点。
8. 首先选择要成像的区域，然后按照仪器的协议将该区域与共心高度对齐。
9. 倾斜样品，使表面垂直于铂 GIS 针的方向，然后插入 GIS 针。将其加热至28°C并打开阀门约2.5分钟，然后缩回源。这应该产生均匀的未固化有机金属铂层，用户可以对样品表面进行简要成像以确认均匀的覆盖率。沉积时间因仪器而异，应进行调整以确保1-2μm厚的均匀层。
10. 将样品穿梭车向FIB源倾斜，并将有机金属铂以2.8 nA，800倍放大倍率暴露于30 kV离子束中30秒。带有电子束的图像，以验证表面光滑且没有任何充电迹象。

3. 准备横截面

1. 使用离子束在30kV和较低的本体铣削电流（~2.8 nA）下拍摄样品表面的快照，确定感兴趣的特征并测量横截面的粗略放置。使用约2.8 nA铣削的沟槽可以放置在距离最终横截面1μm的地方，并且应该延伸到目标特征的任一侧几微米。侧窗（见3.2）应放置一条与所需最终横截面大致齐平的边。
2. 在铣削主沟槽之前为 X 射线创建侧窗，以减少重新定位。
   1. 绘制一个相对于沟槽位置旋转 90° 的常规横截面 。方向将取决于每个EDX探测器的配置;将此沟槽的浅端朝向EDX探测器。在这里使用的仪器软件中，通过单击图案的" 高级 "选项卡并输入逆时针测量的旋转角度来完成此旋转。
   2. 调整旋转图案的大小，以最大化离开横截面表面的X射线数量，标称为10μm正方形。尺寸将取决于探测器的几何形状，通常较小的窗口就足够了。用户可以通过确定该沟渠的最小尺寸来加快该过程。
3. 创建一个刚好足够大的 常规横截面 以显示感兴趣的特征。这可以通过使用高电流（~2.8 nA）来快速完成，以形成一个沟槽，降低电流以进行清理，或者通过仅在较低电流（~0.92 nA）下工作来更慢地工作。
   1. 使用 30 kV 和所需电流下的离子束拍摄样品表面的快照（有关电流选择，请参见 讨论 ）。确定感兴趣的特征，并完成在 3.1 中完成的沟槽放置
      1. 沟槽尺寸因样品而异，但典型尺寸为25 μm x 20 μm。两个尺寸必须足够大，以使感兴趣的整个特征可见;x将确定横截面的宽度，而y将限制电子束可以看到的沟槽深处的距离。确保该沟槽的边缘和所需的最终横截面之间留有1μm的材料。
   2. 将z深度设置为2μm，并将铣削应用程序设置为硅，然后使用软件开始铣削，但定期暂停该过程并使用电子束对横截面进行成像，然后根据需要恢复铣削。
   3. 重复此过程，直到沟槽比目标特征深得多，通常为10-20μm深。含有多种材料的样品通常具有高度可变的铣削时间，并且可能需要比1μm深度设置估计的时间更多或更短的时间。记录创建粗糙沟槽以引导 3.4 中使用的深度所需的时间。
4. 创建最终的干净横截面
   1. 将离子束电流降低到约0.92 nA并拍摄快照。验证感兴趣特征的位置:如果步骤3.1.3正确完成，将有大约1μm的材料需要铣削掉。
   2. 使用FIB软件绘制 清洁横截面 。将此清洁窗口与预制沟槽重叠至少 1 μm，以帮助减轻重新沉积。
   3. 使用步骤 3.3.3 中的观测值确定值，设置 z 深度。例如，如果一半的时间用于 1 μm 深度，则将深度重新设置为 0.5 μm。
   4. 让清洁横截面不间断地运行。完成后，使用电子束对清洁的横截面进行成像。

4. 执行 EDX 映射

1. 为样品选择合适的光束条件（有关详细信息，请参阅 讨论 ）
2. 确定样品方向以最大化 X 射线计数。每个仪器都有一个理想的EDX工作高度;确保感兴趣的特征处于此高度。倾斜，使得入射电子束尽可能接近感兴趣的表面。
3. 插入EDX检测器并确定适当的处理时间。对于高光束敏感的样品，在绘制目标位点之前，可能需要在样品的牺牲区域上测试这些条件。
   1. 在探测器的软件中，转到 显微镜设置 并启动电子束图像，然后点击记录。这将测量计数率和死区时间。
   2. 记录平均死区时间和计数率。理想的死区时间因探测器而异，但对于Oxford X-max 80，典型值范围在15-25之间。值越低，分辨率越高，值越高，计数率越高。
   3. 如果需要调整死区时间，请更改 EDX 时间常数（也称为 处理时间）。较低的处理时间将产生较低的死区时间，反之亦然。重复此步骤，直到死区时间在所需范围内。
   4. 确认计数率是否合理。较低的计数速率（1，000 次计数/秒及更低）将需要更长的采集时间，这增加了地图因样本漂移而失真的可能性。如果计数率太低，请考虑增加光束电流和电压，或增加处理时间。
4. 一旦探测器条件建立，收集电子束图像。
   1. 转到 "图像设置" 并选择位深度和图像分辨率，通常为 8 位，512 x 448 或 1024 x 896。
   2. 调整 EDX 软件的映像条件。通常，EDX软件中成像条件的校准方式与SEM自己的软件中的校准方式不同，并且需要相应地调整放大倍率，亮度和对比度。在INCA中，点击感兴趣站点窗口上的记录按钮，根据需要调整图像，然后记录另一个图像，根据需要迭代。
5. 在 EDX 软件中调整映射设置。
   1. 选择 X 射线贴图分辨率、 光谱范围、 通道数和 贴图停留时间。EDX图的分辨率必须低于电子图像（通常为256 x 224），并且能量范围可以像使用的光束能量一样低。通常，使用最大通道数，并将停留时间设置为400 μs。
   2. 在 EDX 软件中，选择要映射的区域。这可以通过选择整个视场来完成，也可以通过在电子束图像上选择一个较小的区域来完成，这可能会加快这个过程。
6. 开始获取 EDX 映射。允许运行此函数，直到收集到足够数量的计数（请参阅下面的讨论）。在元素地图窗口中，将显示预处理的地图，如果在此过程中特征开始模糊，则表明样品正在漂移或损坏。在这种情况下，请考虑停止地图并使用 SEM 软件来确定问题。
7. 地图完成后，将 EDX 地图另存为数据立方体，数据立方体是一个 3D 数组，其轴表示图像中的空间坐标，轴表示能量。

结果

该方法是在配备市售低温台，抗污染器和制备室的双FIB / SEM系统上开发的。有关详细信息，请参阅材料表。我们主要在具有许多不同电解质的锂金属电池上测试了这种方法，但该方法适用于任何固液界面，这些界面将承受EDX映射期间施加的剂量。

图1说明了这里使用的低温系统的各个组件:样品被冷冻的搪塑锅（图1A），具有真空室的转移系统（

讨论

这里描述的低温制备方法很重要，必须正确完成才能保留化学和形态⁸。最关心的问题是快速冷冻样品，因为这是允许液体玻璃化的原因⁸。如果样品冷却太慢，液体可能会结晶，导致形态变化⁶。为了防止结晶，在此过程中使用雪泥氮，因为它降低了莱顿霜冻效应并加速了冷却，与液氮^8，23，...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
INCA EDS	Oxford instruments		Control software for X-max 80
PP3010T Cryo-preparation system	Quorum Technologies, Inc.		FIB/SEM cryogenic preparation system. Includes pumping station, transfer rod system, preparation (prep) chamber, cryogenic stages, sample shuttles
Strata 400 DualBeam System	FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)		Dual beam FIB/SEM
X-Max 80	Oxford Instruments		80mm2 EDX detector
xT Microscope Control	FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)		Software for controlling FEI Strata