Kriyo-Odaklı İyon Işını Frezelemeyi Taramalı Elektron Mikroskobu ve Spektroskopi ile Birleştirerek Sıvı-Katı Arayüzlerinin Nano Ölçekli Karakterizasyonu

Özet

Kriyojenik Odaklı İyon Işını (FIB) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) teknikleri, bozulmamış katı-sıvı arayüzlerinin kimyası ve morfolojisi hakkında önemli bilgiler sağlayabilir. Bu tür arayüzlerin yüksek kaliteli Enerji Dağıtıcı X-ışını (EDX) spektroskopik haritalarını hazırlama yöntemleri, enerji depolama cihazlarına odaklanarak detaylandırılmıştır.

Özet

Katı-sıvı arayüzlerindeki fiziksel ve kimyasal prosesler, kataliz, güneş enerjisi ve yakıt üretimi ve elektrokimyasal enerji depolaması dahil olmak üzere birçok doğal ve teknolojik olayda çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu tür arayüzlerin nano ölçekli karakterizasyonu son zamanlarda kriyojenik elektron mikroskobu kullanılarak elde edilmiştir, böylece arayüz süreçleri hakkındaki temel anlayışımızı ilerletmek için yeni bir yol sağlamıştır.

Bu katkı, entegre bir kriyojenik elektron mikroskobu yaklaşımı kullanarak malzeme ve cihazlardaki katı-sıvı arayüzlerinin yapısını ve kimyasını haritalamak için pratik bir kılavuz sağlar. Bu yaklaşımda, katı-sıvı arayüzlerinin stabilizasyonuna izin veren kriyojenik numune hazırlamayı, kriyojenik odaklı iyon demeti (kriyo-FIB) frezeleme ile eşleştirerek bu karmaşık gömülü yapılar boyunca kesitler oluşturuyoruz. Çift ışınlı FIB / SEM'de gerçekleştirilen kriyojenik taramalı elektron mikroskobu (kriyo-SEM) teknikleri, nano ölçekte kimyasal haritalamanın yanı sıra doğrudan görüntülemeyi de mümkün kılar. Pratik zorlukları, bunların üstesinden gelmek için stratejileri ve en iyi sonuçları elde etmek için protokolleri tartışıyoruz. Tartışmamızda enerji depolama cihazlarındaki arayüzlere odaklanırken, özetlenen yöntemler katı-sıvı arayüzünün önemli bir rol oynadığı bir dizi alana geniş ölçüde uygulanabilir.

Giriş

Katı maddeler ve sıvılar arasındaki arayüzler, piller, yakıt hücreleri ve süper kapasitörler gibi enerji malzemelerinin işlevinde hayati bir rol oynar ^1,2,3. Bu arayüzlerin kimyasını ve morfolojisini karakterize etmek, işlevsel cihazların iyileştirilmesinde merkezi bir rol oynayabilirken, bunu yapmak önemli bir zorluk ortaya çıkarmıştır ^1,3,4. Sıvılar, x-ışını fotoemisyon spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve iletim elektron mikroskobu² gibi bi....

Protokol

1. Numuneyi hazırlayın ve SEM odasına aktarın

1. Mikroskopu ayarlama
   1. Oda sıcaklığı ile kriyojenik ekipman arasında dönüşüm yapan sistemler için, kriyo-SEM aşamasını ve antikontaminatörü ekipman üreticisinin talimatlarına göre takın ve SEM odasını boşaltın.
   2. Gaz enjeksiyon sistemi (GIS) platin kaynağını, yerleştirildiğinde tipik oda sıcaklığı deneylerine kıyasla numune yüzeyinden yaklaşık 5 mm daha uzağa oturacak şekilde ayarlayın. Bu konumun, numune yüzeyinin eşit kaplanmasını sağlamak için her sistem için optimize edilmesi gerekir. Burada kullanılan FIB'de bu, CBS kaynağının yan tarafındaki ayarlanmış bir vidayı gevşeterek ve tasmayı saat yön....

Sonuçlar

Bu yöntem, ticari olarak temin edilebilen kriyojenik aşama, antikontaminant ve hazırlama odası ile donatılmış çift FIB / SEM sistemi üzerinde geliştirilmiştir. Ayrıntılar için malzeme tablosuna bakın. Bu yöntemi öncelikle bir dizi farklı elektrolit içeren lityum metal piller üzerinde test ettik, ancak yöntem, EDX haritalaması sırasında uygulanan doz miktarına dayanacak herhangi bir katı-sıvı arayüzüne uygulanabilir.

Şekil 1, burada k.......

Tartışmalar

Burada anlatılan kriyojenik hazırlama yöntemi önemlidir ve kimya ve morfolojinin korunması için doğru yapılması gerekir⁸. En önemli endişe, numunenin hızlı bir şekilde dondurulmasıdır, çünkü sıvının vitrifiye edilmesine izin veren şey budur⁸. Numune çok yavaş soğursa, sıvılar kristalleşerek morfolojide bir değişikliğe neden olabilir⁶. Kristalleşmeyi önlemek için, Leidenfrost etkisini azalttığı ve sıvı azot

Malzemeler

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