Caratterizzazione su scala nanometrica di interfacce liquido-solido mediante accoppiamento di fresatura a fascio ionico crio-focalizzato con microscopia elettronica a scansione e spettroscopia

Riepilogo

Le tecniche FIB (Cryogenic Focused Ion Beam) e SEM (Scanning Electron Microscopy) possono fornire informazioni chiave sulla chimica e la morfologia delle interfacce solido-liquido intatte. I metodi per la preparazione di mappe spettroscopiche a raggi X a dispersione di energia (EDX) di alta qualità di tali interfacce sono dettagliati, con particolare attenzione ai dispositivi di accumulo di energia.

Abstract

I processi fisici e chimici alle interfacce solido-liquido svolgono un ruolo cruciale in molti fenomeni naturali e tecnologici, tra cui la catalisi, l'energia solare e la generazione di combustibile e lo stoccaggio di energia elettrochimica. La caratterizzazione su scala nanometrica di tali interfacce è stata recentemente ottenuta utilizzando la microscopia elettronica criogenica, fornendo così un nuovo percorso per far progredire la nostra comprensione fondamentale dei processi di interfaccia.

Questo contributo fornisce una guida pratica alla mappatura della struttura e della chimica delle interfacce solido-liquido in materiali e dispositivi utilizzando un approccio integrato di microscopia elettronica criogenica. In questo approccio, abbiniamo la preparazione del campione criogenico che consente la stabilizzazione di interfacce solido-liquido con la fresatura criogenica a fascio ionico focalizzato (crio-FIB) per creare sezioni trasversali attraverso queste complesse strutture sepolte. Le tecniche di microscopia elettronica a scansione criogenica (cryo-SEM) eseguite in un FIB/SEM a doppio fascio consentono l'imaging diretto e la mappatura chimica su scala nanometrica. Discutiamo di sfide pratiche, strategie per superarle e protocolli per ottenere risultati ottimali. Mentre ci concentriamo nella nostra discussione sulle interfacce nei dispositivi di accumulo di energia, i metodi delineati sono ampiamente applicabili a una serie di campi in cui l'interfaccia solido-liquido svolge un ruolo chiave.

Introduzione

Le interfacce tra solidi e liquidi svolgono un ruolo vitale nella funzione dei materiali energetici come batterie, celle a combustibile e supercondensatori ^1,2,3. Mentre caratterizzare la chimica e la morfologia di queste interfacce potrebbe svolgere un ruolo centrale nel miglioramento dei dispositivi funzionali, farlo ha presentato una sfida sostanziale ^1,3,4. I liquidi sono incompatibili con gli ambienti ad alto vuoto necessari per molte tecniche di caratterizzazione comuni, come l....

Protocollo

1. Preparare il campione e trasferirlo nella camera SEM

1. Impostare il microscopio
   1. Per i sistemi che convertono tra temperatura ambiente e apparecchiature criogeniche, installare lo stadio crio-SEM e l'anticontaminatore secondo le istruzioni del produttore dell'apparecchiatura ed evacuare la camera SEM.
   2. Regolare la sorgente di platino del sistema di iniezione di gas (GIS) in modo che, una volta inserita, si trovi a circa 5 mm di distanza dalla superficie del campione rispetto ai tipici esperimenti a temperatura ambiente. Questa posizione deve essere ottimizzata per ogni sistema per garantire un rivestimento uniforme della superficie del camp....

Risultati

Questo metodo è stato sviluppato su un doppio sistema FIB/SEM dotato di uno stadio criogenico disponibile in commercio, anticontaminatore e camera di preparazione. Per i dettagli, vedere la tabella dei materiali. Abbiamo testato questo metodo principalmente su batterie al litio metallico con un numero di elettroliti diversi, ma il metodo è applicabile a qualsiasi interfaccia solido-liquido che sopporterà la quantità di dose applicata durante la mappatura EDX.

La Figura.......

Discussione

Il metodo di preparazione criogenica qui descritto è importante e deve essere fatto correttamente affinché la chimica e la morfologia siano preservate⁸. La preoccupazione principale è congelare rapidamente il campione poiché questo è ciò che consente di vetrificare il liquido⁸. Se il campione si raffredda troppo lentamente, i liquidi possono cristallizzarsi con conseguente cambiamento nella morfologia⁶. Per prevenire la cristallizzazione, in qu.......

Materiali

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