Name: nanoscale characterization of liquid-solid interfaces by coupling cryo-focused ion beam milling with scanning electron microscopy and spectroscopy
Uploaded: 2022-07-14T12:30:00
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我们非常感谢Shuang-Yan Lang和Héctor D. Abruña的贡献，他们为我们的研究提供了样本。这项工作得到了美国国家科学基金会（NSF）（DMR-1654596）的支持，并利用了NSF支持的康奈尔大学材料研究设施中心，奖励编号为DMR-1719875。

1.准备样品并转移到SEM室中
<ol><li>设置显微镜<ol>
<li>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。</li>
		<li>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?...

<ol>
	<li>Schmickler, W., Santos, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Interfacial Electrochemistry. , (2010).</li><li>Cheng, X. -. B., Zhang, R., Zhao, C. -. Z., Wei, F., Zhang, J. -. G., Zhang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+solid+electrolyte+interphases+on+lithium+metal+anode.">A review of solid electrolyte interphases on lithium metal anode.</a> Advanced Science. 3 (3), 1500213 (2016).</li><li>Allen, F. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphology+of+hydrated+as-cast+Nafion+revealed+through+cryo+electron+tomography.">Morphology of hydrated as-cast Nafion revealed through cryo electron tomography.</a> ACS Macro Letters. 4 (1), 1-5 (2015).</li><li>Zachman, M. J., Tu, Z., Choudhury, S., Archer, L. A., Kourkoutis, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-STEM+mapping+of+solid-liquid+interfaces+and+dendrites+in+lithium-metal+batteries.">Cryo-STEM mapping of solid-liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries.</a> Nature. 560 (7718), 345-349 (2018).</li><li>Zachman, M. J., Tu, Z., Archer, L. A., Kourkoutis, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+elemental+mapping+of+intact+solid-liquid+interfaces+and+reactive+materials+in+energy+devices+enabled+by+cryo-FIB/SEM.">Nanoscale elemental mapping of intact solid-liquid interfaces and reactive materials in energy devices enabled by cryo-FIB/SEM.</a> ACS Energy Letters. 5 (4), 1224-1232 (2020).</li><li>Dubochet, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physics+of+rapid+cooling+and+its+implications+for+cryoimmobilization+of+cells.">The physics of rapid cooling and its implications for cryoimmobilization of cells.</a> Methods in Cell Biology. 79, 7-21 (2007).</li><li>Kourkoutis, L. F., Plitzko, J. M., Baumeister, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+microscopy+of+biological+materials+at+the+nanometer+scale.">Electron microscopy of biological materials at the nanometer scale.</a> Annual Review of Materials Research. 42 (1), 33-58 (2012).</li><li>Dubochet, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-electron+microscopy+of+vitrified+specimens.">Cryo-electron microscopy of vitrified specimens.</a> Quarterly Reviews of Biophysics. 21 (2), 129-228 (1988).</li><li>Wang, X., Li, Y., Meng, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryogenic+electron+microscopy+for+characterizing+and+diagnosing+batteries.">Cryogenic electron microscopy for characterizing and diagnosing batteries.</a> Joule. 2 (11), 2225-2234 (2018).</li><li>Zachman, M. J., de Jonge, N., Fischer, R., Jungjohann, K. L., Perea, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryogenic+specimens+for+nanoscale+characterization+of+solid-liquid+interfaces.">Cryogenic specimens for nanoscale characterization of solid-liquid interfaces.</a> MRS Bulletin. 44 (12), 949-955 (2019).</li><li>Li, Y., Huang, W., Li, Y., Chiu, W., Cui, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Opportunities+for+cryogenic+electron+microscopy+in+materials+science+and+nanoscience.">Opportunities for cryogenic electron microscopy in materials science and nanoscience.</a> ACS Nano. , (2020).</li><li>Lee, J. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryogenic+focused+ion+beam+characterization+of+lithium+metal+anodes.">Cryogenic focused ion beam characterization of lithium metal anodes.</a> ACSEnergy Letters. 4 (2), 489-493 (2019).</li><li>Schreiber, D. K., Perea, D. E., Ryan, J. V., Evans, J. E., Vienna, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+method+for+site-specific+and+cryogenic+specimen+fabrication+of+liquid/solid+interfaces+for+atom+probe+tomography.">A method for site-specific and cryogenic specimen fabrication of liquid/solid interfaces for atom probe tomography.</a> Ultramicroscopy. 194, 89-99 (2018).</li><li>Perea, D. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tomographic+mapping+of+the+nanoscale+water-filled+pore+structure+in+corroded+borosilicate+glass.">Tomographic mapping of the nanoscale water-filled pore structure in corroded borosilicate glass.</a> NPJ Materials Degradation. 4 (1), 1-7 (2020).</li><li>Li, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-based+structural+characterization+and+growth+model+of+salt+film+on+metal.">Cryo-based structural characterization and growth model of salt film on metal.</a> Corrosion Science. 174, 108812 (2020).</li><li>Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiation+damage+in+the+TEM+and+SEM.">Radiation damage in the TEM and SEM.</a> Micron. 35 (6), 399-409 (2004).</li><li>Goldstein, J. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , (2018).</li><li>Joy, D. C., Joy, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+voltage+scanning+electron+microscopy.">Low voltage scanning electron microscopy.</a> Micron. 27 (3-4), 247-263 (1996).</li><li>Zachman, M. J., Asenath-Smith, E., Estroff, L. A., Kourkoutis, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=site-specific+preparation+of+intact+solid-liquid+interfaces+by+label-free+in+situ+localization+and+cryo-focused+ion+beam+lift-out.">site-specific preparation of intact solid-liquid interfaces by label-free in situ localization and cryo-focused ion beam lift-out.</a> Microscopy and Microanalysis. 22 (6), 1338-1349 (2016).</li><li>Padgett, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Editors'+Choice-Connecting+fuel+cell+catalyst+nanostructure+and+accessibility+using+quantitative+cryo-STEM+tomography.">Editors' Choice-Connecting fuel cell catalyst nanostructure and accessibility using quantitative cryo-STEM tomography.</a> Journal of The Electrochemical Society. 165 (3), 173-180 (2018).</li><li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+structure+of+sensitive+battery+materials+and+interfaces+revealed+by+cryo-electron+microscopy.">Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo-electron microscopy.</a> Science. 358 (6362), 506-510 (2017).</li><li>Wang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+cyclability+of+Li+metal+batteries+at+elevated+temperatures+and+its+origin+revealed+by+cryo-electron+microscopy.">Improving cyclability of Li metal batteries at elevated temperatures and its origin revealed by cryo-electron microscopy.</a> Nature Energy. 4 (8), 664-670 (2019).</li><li>Oostergetel, G. T., Esselink, F. J., Hadziioannou, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-electron+microscopy+of+block+copolymers+in+an+organic+solvent.">Cryo-electron microscopy of block copolymers in an organic solvent.</a> Langmuir. 11 (10), 3721-3724 (1995).</li><li>Echlin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Low-Temperature Microscopy and Analysis. , (1992).</li><li>Koifman, N., Schnabel-Lubovsky, M., Talmon, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructure+formation+in+the+lecithin/isooctane/water+system.">Nanostructure formation in the lecithin/isooctane/water system.</a> The Journal of Physical Chemistry B. 117 (32), 9558-9567 (2013).</li><li>Hayles, M. F., Stokes, D. J., Phifer, D., Findlay, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+technique+for+improved+focused+ion+beam+milling+of+cryo-prepared+life+science+specimens.">A technique for improved focused ion beam milling of cryo-prepared life science specimens.</a> Journal of Microscopy. 226 (3), 263-269 (2007).</li><li>Shchukarev, A., Ramstedt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cryo-XPS:+probing+intact+interfaces+in+nature+and+life.">Cryo-XPS: probing intact interfaces in nature and life.</a> Surface and Interface Analysis. 49 (4), 349-356 (2017).</li><li>Hovington, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Can+we+detect+Li+K+X-ray+in+lithium+compounds+using+energy+dispersive+spectroscopy.">Can we detect Li K X-ray in lithium compounds using energy dispersive spectroscopy.</a> Scanning. 38 (6), 571-578 (2016).</li></ol>

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，...

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EDX4，5，12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。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>INCA EDS</td>
			<td>Oxford instruments</td>
			<td></td>
			<td>Control software for X-max 80</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PP3010T Cryo-preparation system</td>
			<td>Quorum Technologies, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>FIB/SEM cryogenic preparation system. Includes pumping station, transfer rod system, preparation (prep) chamber, cryogenic stages, sample shuttles&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Strata 400 DualBeam System&#160;</td>
			<td>FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)</td>
			<td></td>
			<td>Dual beam FIB/SEM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-Max 80</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td></td>
			<td>80mm2 EDX detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>xT Microscope Control</td>
			<td>FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)</td>
			<td></td>
			<td>Software for controlling FEI Strata&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

nanoscale characterization of liquid-solid interfaces by coupling cryo-focused ion beam milling with scanning electron microscopy and spectroscopy

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。

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（<strong cla...

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Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy

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。

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

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar ...

冷冻SEM和FIB方法可用于研究固液界面和生物样品，同时保留样品的天然结构。该技术的主要优点是冷冻SEM允许用户快速探测具有数十纳米分辨率的纽扣电池电极等宏观设备的界面。首先安装冷冻SEM载物台和抗污染器。抽真空SEM室并调整气体注入系统，GIS，铂源，以便在插入时，源将位于距样品表面约五毫米的位置。将GIS温度设置为28摄氏度，然后打开快门以向系统通风30秒，以清除任何多余的材料。然后，让SEM室撤离至少八个小时。在疏散期结束时，将显微镜和准备阶段设置为零下175摄氏度，并将抗污染器设置为零下192摄氏度。要使样品玻璃化，请依次用液氮填充氮气双锅吸盘的主体积和周围体积，直到液氮停止冒泡。用盖子密封填充的吸盘机，然后启动雪泥泵。当液氮开始凝固时，开始排出雪泥锅。一旦压力足够高以允许打开锅，快速但轻轻地将样品放入氮气中。当样品周围的沸腾停止时，使用预冷的转移棒将样品转移到预冷的SEM穿梭的真空室中，就在氮气开始冻结之前。快速将穿梭车转移到制备室的气闸中，并在输送系统上泵送。如果需要，将5至10纳米的金钯层溅射到样品表面上以减轻充电。然后，将样品穿梭尽可能快速，平稳地转移到冷却的显微镜载物台上。对于样品表面成像，首先以100 X放大倍率对样品进行成像。接下来，将样品带到大约的偏心高度，并获取第二张低倍率图像。选择玻璃化液体内的牺牲测试区域，并识别由于光束损坏或充电而可能存在的任何潜在问题。在示例中搜索感兴趣的区域。识别区域后，倾斜样品，使表面垂直于铂 GIS 针的方向，然后插入 GIS 针。将表面升温至28摄氏度，打开阀门约2.5分钟，然后缩回源头。将样品穿梭机向聚焦离子束源倾斜，并将有机金属铂暴露在30千伏离子束中，2.8纳安和800 X放大倍率30秒。然后，用电子束对样品表面进行成像，以验证表面是否光滑且没有任何充电迹象。为了制备横截面，首先使用30千伏的离子束和约2.8纳安的较低体球研磨电流来获取样品表面的快照。确定感兴趣的特征并测量横截面的粗略位置。要为 X 射线创建侧窗，请绘制一个相对于沟槽所在位置旋转 90 度的常规横截面，并将侧窗的一条边与所需的最终横截面大致齐平。调整旋转图案的大小，以最大化退出横截面曲面的 X 射线数。使用高电流创建规则的横截面，该横截面刚好足够大以揭示感兴趣的特征，并使用30千伏的离子束和感兴趣的电流来获取样品表面的快照。确定感兴趣的特征并完成沟槽的放置。沟渠应越过感兴趣特征的任一侧几微米。确认沟槽边缘和所需的最终横截面之间有一微米的材料，并使用铣削应用将Z深度设置为两微米，定期暂停铣削过程以根据需要用电子束对横截面进行成像。当沟渠比感兴趣的特征深得多时，请注意创建粗糙沟槽以引导深度所需的时间。为了形成最终的，干净的横截面，将离子束电流降低到约0.92纳安，并对样品表面进行成像。验证感兴趣特征的位置后，使用聚焦离子束软件绘制清洁横截面，并将清洁窗口与预制沟槽重叠至少一微米，以帮助减轻再沉积。然后，使用创建沟槽所需的时间来设置 Z 深度值。对于 EDX 映射，请为样品选择适当的光束条件，并定向样品以最大化 X 射线计数。插入EDX检测器并设置适当的处理时间。在探测器软件中，打开显微镜设置并启动电子束图像。单击“命中记录”以测量计数率和死区时间。如果需要调整死区时间，请更改 EDX 时间常数。确定探测器条件后，收集电子束图像并打开图像设置以选择位深度和图像分辨率。选择 X 射线贴图分辨率、光谱范围、通道数和贴图停留时间。能量范围可以像使用的光束能量一样低。然后，在 EDX 软件中，选择要映射的区域。映射完成后，将映射另存为数据多维数据集。这些在25摄氏度和零下165摄氏度下研磨的裸锂箔图像突出了冷却到低温如何帮助在聚焦离子束铣削过程中保存样品。对于EDX实验，应优化聚焦离子束铣削几何形状，并考虑EDX探测器的位置。在这里，可以观察到以锂金属电池为例制备的冷冻固定样品和制备不良样品之间的差异。虽然两种样品名义上都是按照相同的程序制备的，但短暂暴露于空气中很可能导致在制备不良的样品中观察到的表面反应。在非最佳条件下映射1，3-二氧戊环，1，2-二甲氧基乙烷中的锂沉积物会导致对比度变化，这可能表明最初保存良好的界面由于映射过程中的辐射损伤而丢失。相比之下，锂嵌入玻璃化电解质和下面的锂基底的图谱在2千伏和0.84纳安下进行，保留了样品表面形貌。虽然在映射后仍然可以看到一些损坏，但损坏的程度大大降低了。在该分析中，EDX映射用于定位在二氧化硅水凝胶中生长的氧化铁纳米颗粒。大视场扫描允许识别感兴趣区域，而更本地化的扫描则用于特定部位的铣削。样品充电可能不利于此过程的成功。请记住根据需要降低光束电流和停留时间，以限制充电的影响。在此之后，可以执行冷冻FIB剥离以制备用于TEM分析的位点特异性薄片。可以在亚埃级分辨率下对样品进行成像，并在TEM仪器中使用EELS和EDX绘制化学分布图。

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In Depth Analyses of LEDs by a Combination of X-ray Computed Tomography CT and Light Microscopy LM Correlated with Scanning Electron Microscopy SEM

在通过X射线计算机断层扫描（CT）和与扫描电子显微镜相关光学显微镜（LM）的一个组合的LED深度分析（SEM）的

In failure analysis, device characterization and reverse engineering of light emitting diodes (LEDs), and similar electronic components of ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

通过扫描电子显微镜在半导体材料的扩展缺陷的全面表征

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

使用扫描透射电子显微镜研究纳米大小的物体的动态过程中的液体

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Precision Milling of Carbon Nanotube Forests Using Low Pressure Scanning Electron Microscopy

碳纳米管森林精密铣床使用低压扫描电子显微镜

A nanoscale fabrication technique appropriate for milling carbon nanotube (CNT) forests is described. The technique utilizes an environmental scanning ...

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

A Novel Method for In Situ Electromechanical Characterization of Nanoscale Specimens

一种新的方法<em&gt;原位</em&gt;纳米级样品的机电表征

Electrically assisted deformation (EAD) is increasingly being used to improve the formability of metals during processes such as sheet metal rolling and ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

基于 LiPON 的固态锂离子 Nanobatteries 的聚焦离子束制备方法在原位测试中的研究

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

用畸变校正扫描透射电镜进行单数字纳米电子束光刻

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...