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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy at JoVE.com

Vi anerkender i høj grad bidragene fra Shuang-Yan Lang og Héctor D. Abruña, der leverede prøver til vores forskning. Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation (NSF) (DMR-1654596) og gjorde brug af Cornell Center for Materials Research Facilities støttet af NSF under Award Number DMR-1719875.

1. Forbered prøven og overfør den til SEM-kammeret
<ol><li>Opsætning af mikroskopet<ol>
<li>For systemer, der konverterer mellem stuetemperatur og kryogent udstyr, skal du installere kryo-SEM-trinnet og antikontaminatoren i henhold til udstyrsproducentens anvisninger og evakuere SEM-kammeret.</li>
		<li>Juster gasindsprøjtningssystemets (GIS) platinkilde, så den, når den indsættes, sidder ca. 5 mm længere væk fra prøveoverfladen sammenlignet med typiske rumtemperaturforsøg. Denne position skal optimeres for ...

<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>

Den kryogene forberedelsesmetode, der er beskrevet her, er vigtig og skal udføres korrekt, for at kemien og morfologien kan bevares8. Den største bekymring er at fryse prøven hurtigt, da det er det, der gør det muligt at forglase væsken8. Hvis prøven afkøles for langsomt, kan væsker krystallisere, hvilket resulterer i en ændring i morfologi6. For at forhindre krystallisation anvendes slush nitrogen i denne procedure, da det reducerer Leidenf...

Grænseflader mellem faste stoffer og væsker spiller en afgørende rolle i funktionen af energimaterialer såsom batterier, brændselsceller og superkondensatorer 1,2,3. Mens karakterisering af kemi og morfologi i disse grænseflader kunne spille en central rolle i forbedringen af funktionelle enheder, har det præsenteret en betydelig udfordring 1,3,4. Væsker er uforenelige med de højvakuummiljøer, der er nødvendige for mange almindelige karakteriseringsteknikker, såsom røntgenfotoemissionsspektroskopi, scanningselektronmikroskopi (SEM) og transmissionselektronmikroskopi2. Historisk set har løsningen været at fjerne væsken fra enheden, men dette kommer på bekostning af potentielt at beskadige sarte strukturer ved grænsefladen 2,4 eller ændre morfologi3. I tilfælde af batterier, især dem, der anvender meget reaktive alkalimetaller, forværres denne fysiske skade af kemisk nedbrydning ved udsættelse for luft5.
Dette papir beskriver cryo-SEM og fokuseret ionstråle (FIB) som en metode til at bevare og karakterisere grænseflader mellem fast og flydende. Lignende metoder har vist sig at bevare strukturen af celler i biologiske prøver 6,7,8, energianordninger 5,9,10,11,12 og nanoskala korrosionsreaktioner 13,14,15 . Kernen i teknikken er at forglase prøven via dykfrysning i slush nitrogen, inden den overføres til mikroskopet, hvor den placeres på et kryogent afkølet stadium. Vitrifikation stabiliserer væsken i mikroskopets vakuum, samtidig med at man undgår de strukturelle deformationer forbundet med krystallisation 6,8. En gang i mikroskopet tillader et dobbeltstrålesystem nanoskala billeddannelse med elektronstrålen og forberedelse af tværsnit med den fokuserede ionstråle. Endelig er kemisk karakterisering aktiveret via Energy Dispersive X-ray (EDX) kortlægning. Alt i alt kan cryo-SEM / FIB bevare den oprindelige struktur af en fast-flydende grænseflade, skabe tværsnit og give både kemisk og morfologisk karakterisering.
Ud over at give en generel arbejdsgang til cryo-SEM- og EDX-kortlægning vil dette papir beskrive en række metoder til at afbøde artefakter fra fræsning og billeddannelse. Ofte er glaserede væsker sarte og isolerende, hvilket gør dem tilbøjelige til opladning samt stråleskader8. Mens en række teknikker er blevet etableret for at reducere disse uønskede virkninger i prøver ved stuetemperatur 16,17,18, er flere blevet modificeret til kryogene anvendelser. Denne procedure beskriver især anvendelsen af ledende belægninger, først en guld-palladiumlegering, efterfulgt af et tykkere platinlag. Derudover gives der instruktioner til at hjælpe brugerne med at identificere opladning, når den opstår, og justere elektronstråleforholdene for at afbøde akkumuleringen af ladning. Endelig, selvom stråleskader har mange egenskaber til fælles med opladning, kan de to forekomme uafhængigt af hinanden16, og der er retningslinjer for at minimere stråleskader under de trin, hvor det er mest sandsynligt.
Mens dual-beam SEM / FIB ikke er det eneste elektronmikroskopiværktøj, der er blevet tilpasset til kryogen drift, er det særligt velegnet til dette arbejde. Ofte er realistiske enheder som et batteri på skalaen flere centimeter i størrelse, mens mange af de interessante funktioner er i størrelsesordenen mikron til nanometer, og de mest meningsfulde oplysninger kan være indeholdt i tværsnittet af grænsefladen 4,5,19. Selvom teknikker som Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) kombineret med Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) muliggør billeddannelse og kemisk kortlægning ned til atomskalaen, kræver de omfattende forberedelse for at gøre prøven tilstrækkelig tynd til at være elektrongennemsigtig, hvilket dramatisk begrænsergennemstrømningen 3,4,19,20,21,22 . Cryo-SEM giver derimod mulighed for hurtig sondering af grænseflader i makroskopiske enheder, såsom anoden i en lithiummetalbatterimøntcelle, omend i en lavere opløsning på snesevis af nanometer. Ideelt set anvendes en kombineret tilgang, der udnytter fordelene ved begge teknikker. Her fokuserer vi på kryogene FIB/SEM-teknikker med højere kapacitet.
Lithiummetalbatterier blev brugt som den primære testcase til dette arbejde, og de demonstrerer den brede anvendelighed af kryo-SEM-teknikker: de har sarte strukturer af videnskabelig interesse 4,5,9,10,11,12, har bredt varierende kemi, der skal afsløres via EDX 2, og kryogene teknikker er nødvendige for at bevare det reaktive lithium 5, 21. Især bevares de ujævne lithiumaflejringer kendt som dendritter samt grænsefladerne med den flydende elektrolyt og kan afbildes og kortlægges med EDX 4,5,12. Derudover vil lithium typisk oxidere under forberedelsen og danne en legering med gallium under fræsning, men den bevarede elektrolyt forhindrer oxidation, og kryogene temperaturer afbøder reaktioner med gallium5. Mange andre systemer (især energienheder) har lignende sarte strukturer, komplekse kemikalier og reaktive materialer, så kryo-SEM's succes med undersøgelsen af lithiummetalbatterier kan betragtes som en lovende indikation på, at den også er egnet til andre materialer.
Protokollen anvender et dual-beam FIB/SEM-system udstyret med et kryogent stadium, et kryogent forberedelseskammer og et kryogent overførselssystem som beskrevet i materialetabellen. Til forberedelse af de kryo-immobiliserede prøver er der en arbejdsstation med en "slush pot", som er en skumisoleret gryde, der sidder i et vakuumkammer på stationen. Den skumisolerede dobbelte grydeslusher indeholder et primært nitrogenkammer og et sekundært kammer, der omgiver førstnævnte og reducerer kogning i hoveddelen af gryden. Når det er fyldt med nitrogen, placeres et låg over gryden, og hele systemet kan evakueres for at danne slush nitrogen. Et overførselssystem med et lille vakuumkammer bruges til at overføre prøven under vakuum til mikroskopets forberedelses- eller "prep" -kammer. I forberedelseskammeret kan prøven opbevares ved -175 °C og sputter belagt med et ledende lag, såsom en guld-palladiumlegering. Både forberedelseskammeret og SEM-kammeret har et kryogent afkølet stadium til opbevaring af prøven og en antikontaminator til adsorbering af forurenende stoffer og for at forhindre isopbygning på prøven. Hele systemet afkøles med nitrogengas, der strømmer gennem en varmeveksler nedsænket i flydende nitrogen, og derefter gennem de to kryo-trin og to antikontaminatorer i systemet.

<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

Fysiske og kemiske processer ved grænseflader mellem fast væske og væske spiller en afgørende rolle i mange naturlige og teknologiske fænomener, herunder katalyse, solenergi og brændstofproduktion og elektrokemisk energilagring. Nanoskala karakterisering af sådanne grænseflader er for nylig opnået ved hjælp af kryogen elektronmikroskopi, hvilket giver en ny vej til at fremme vores grundlæggende forståelse af grænsefladeprocesser.
Dette bidrag giver en praktisk vejledning til kortlægning af strukturen og kemien i faste-flydende grænseflader i materialer og enheder ved hjælp af en integreret kryogen elektronmikroskopi tilgang. I denne tilgang parrer vi kryogen prøveforberedelse, som muliggør stabilisering af faste-flydende grænseflader med kryogen fokuseret ionstråle (cryo-FIB) fræsning for at skabe tværsnit gennem disse komplekse begravede strukturer. Kryogene scanningselektronmikroskopi (cryo-SEM) teknikker udført i en dual-beam FIB / SEM muliggør direkte billeddannelse samt kemisk kortlægning på nanoskala. Vi diskuterer praktiske udfordringer, strategier til at overvinde dem samt protokoller for at opnå optimale resultater. Mens vi i vores diskussion fokuserer på grænseflader i energilagringsenheder, er de skitserede metoder bredt anvendelige på en række områder, hvor fast-flydende grænseflade spiller en central rolle.

Denne metode er udviklet på et dobbelt FIB / SEM-system udstyret med et kommercielt tilgængeligt kryogent stadium, antikontaminator og forberedelseskammer. For detaljer, se tabellen over materialer. Vi har primært testet denne metode på lithiummetalbatterier med en række forskellige elektrolytter, men metoden kan anvendes på enhver fast-flydende grænseflade, der vil udholde mængden af dosis, der påføres under EDX-kortlægning.
Figur 1 illustrerer de fors...

Watch this Scientific Journal Video about Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy at JoVE.com

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

Kryogen fokuseret ionstråle (FIB) og scanningselektronmikroskopi (SEM) teknikker kan give vigtig indsigt i kemi og morfologi af intakte fast-flydende grænseflader. Metoder til fremstilling af højkvalitets Energy Dispersive X-ray (EDX) spektroskopiske kort over sådanne grænseflader er detaljerede med fokus på energilagringsenheder.

Nanoskala Karakterisering af væske-faste grænseflader ved kobling af kryofokuseret ionstrålefræsning med scanningselektronmikroskopi og spektroskopi

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

Cryo-SEM- og FIB-metoden kan bruges til at studere grænseflader mellem fast væske og biologiske prøver, samtidig med at prøvernes oprindelige struktur bevares. Den største fordel ved denne teknik er, at cryo-SEM giver brugeren mulighed for hurtigt at undersøge grænsefladen mellem makroskopiske enheder som møntcellebatterielektroder med snesevis af nanometeropløsning. Begynd med at installere et cryo-SEM-trin og en antikontaminator.Evakuer SEM-kammeret, og juster gasindsprøjtningssystemet, GIS, platinkilden, så kilden, når den indsættes, vil sidde cirka fem millimeter væk fra prøveoverfladen. Indstil GIS-temperaturen til 28 grader Celsius, og åbn lukkeren for at udlufte systemet i 30 sekunder for at fjerne overskydende materiale. Lad derefter SEM-kammeret evakuere i mindst otte timer.I slutningen af evakueringsperioden skal du indstille mikroskopet og forberedelsestrinnene til minus 175 grader Celsius og indstille antikontaminatoren til minus 192 grader Celsius. For at forglase prøven skal du sekventielt fylde hovedvolumenet af nitrogen-dual-pot-slusheren og det omgivende volumen med flydende nitrogen, indtil det flydende nitrogen holder op med at boble. Forsegl den fyldte slusher med låget, og start slush pumpen.Når det flydende nitrogen begynder at størkne, skal du begynde at udlufte slush pot. Når trykket er højt nok til, at potten kan åbnes, anbringes prøven hurtigt, men forsigtigt, i nitrogenet. Når kogningen er ophørt omkring prøven, skal du bruge en forkølet overførselsstang til at overføre prøven til vakuumkammeret i en forkølet SEM-shuttle, lige før nitrogenet begynder at fryse.Overfør hurtigt rumfærgen til luftslusen i forberedelseskammeret og pumpen på overførselssystemet. Hvis det ønskes, skal du sputter fem til 10 nanometer af et guld-palladiumlag på prøveoverfladen for at afbøde opladningen. Overfør derefter prøvebussen så hurtigt og problemfrit som muligt til det afkølede mikroskoptrin.Til prøveoverfladebilleddannelse skal du først afbilde prøven ved en 100 X forstørrelse. Derefter bringes prøven til en omtrent eucentrisk højde og erhverver et andet billede med lav forstørrelse. Vælg et offertestområde i den glaserede væske, og identificer eventuelle problemer, der kan være til stede på grund af stråleskader eller opladning.Søg i eksemplet efter interesseområderne. Når et område er blevet identificeret, vippes prøven, så overfladen er normal i retning af platin GIS-nålen, og GIS-nålen indsættes. Varm overfladen op til 28 grader Celsius, og åbn ventilen i ca. 2,5 minutter, før kilden trækkes tilbage.Vip prøvebussen mod den fokuserede ionstrålekilde, og udsæt det organisk-metalliske platin for en 30 kilovolt ionstråle ved 2,8 nanoampere og en 800 X forstørrelse i 30 sekunder. Forestil dig derefter prøveoverfladen med elektronstrålen for at kontrollere, at overfladen er glat og mangler tegn på opladning. For at forberede et tværsnit skal du først bruge ionstrålen ved 30 kilovolt og en lavere bulkfræsestrøm på ca. 2,8 nanoampere til at erhverve et øjebliksbillede af prøveoverfladen.Identificer funktionen af interesse og mål den grove placering af tværsnittet. For at skabe et sidevindue til røntgenstrålerne skal du tegne et regelmæssigt tværsnit drejet 90 grader i forhold til, hvor grøften vil være, og placere sidevinduet med den ene kant groft flush med det ønskede endelige tværsnit. Ændr størrelsen på det roterede mønster for at maksimere antallet af røntgenstråler for at forlade tværsnitsoverfladen.Brug en høj strøm til at skabe et regelmæssigt tværsnit, der er lige stort nok til at afsløre funktionen af interesse, og brug ionstrålen ved 30 kilovolt og strømmen af interesse til at få et øjebliksbillede af prøveoverfladen. Identificer funktionen af interesse og afslut placeringen af grøften. Grøften skal strække sig forbi hver side af funktionen af interesse med et par mikron.Bekræft, at der er et mikrometer materiale mellem kanten af grøften og det ønskede endelige tværsnit, og brug fræseapplikationen til at indstille Z-dybden til to mikrometer, og sæt regelmæssigt fræsningsprocessen på pause for at afbilde tværsnittet med elektronstrålen efter behov. Når grøften er meget dybere end interessefunktionen, skal du bemærke den tid, der er nødvendig for at skabe den ru grøft til at styre dybden. For at skabe et endeligt, rent tværsnit skal du sænke ionstrålestrømmen til ca. 0,92 nanoampere og afbilde prøveoverfladen.Når du har kontrolleret placeringen af den pågældende funktion, skal du bruge den fokuserede ionstrålesoftware til at tegne et rengøringstværsnit og overlappe rengøringsvinduet med den foruddefinerede grøft med mindst en mikrometer for at hjælpe med at afbøde omlejringen. Brug derefter den tid, der er nødvendig for at oprette grøften, til at indstille Z-dybdeværdien. For EDX-kortlægning skal du vælge de relevante stråleforhold for prøven og orientere prøven for at maksimere røntgentællingerne.Indsæt EDX-detektoren, og indstil den relevante procestid. I detektorsoftwaren skal du åbne mikroskopopsætningen og starte elektronstrålebilledet. Klik på Hit Record for at måle tællefrekvensen og dødstiden.Hvis dødtiden skal justeres, skal du ændre EDX-tidskonstanten. Når detektorbetingelserne er etableret, skal du indsamle elektronstrålebilledet og åbne Billedopsætning for at vælge bitdybde og billedopløsning. Vælg røntgenkortopløsning, spektrumområde, antal kanaler og kortets opholdstid.Energiområdet kan være lige så lavt som den anvendte stråleenergi. Vælg derefter det område, der skal kortlægges, i EDX-softwaren. Når kortet er færdigt, skal du gemme kortet som en datakube.Disse billeder af bar lithiumfolie fræset ved 25 og minus 165 grader Celsius fremhæver, hvordan afkøling til kryogene temperaturer kan hjælpe med at bevare prøver under fokuseret ionstrålefræsning. For EDX-eksperimenter skal den fokuserede ionstrålefræsningsgeometri optimeres, og EDX-detektorens position skal tages i betragtning. Her kan forskellen mellem en vel- og en dårligt forberedt kryo-immobiliseret prøve, begge ved hjælp af lithiummetalbatteriet som et eksempel, observeres.Selv om begge prøver blev nominelt fremstillet efter samme procedure, resulterede en kort eksponering for luft sandsynligvis i de overfladereaktioner, der blev observeret i den dårligt forberedte prøve. Kortlægning af en lithiumaflejring i 1, 3-dioxolan, 1, 2-dimethoxyethan med ikke-optimale forhold resulterer i kontrastvariationer, sandsynligvis en indikation af en oprindeligt velbevaret grænseflade, der går tabt på grund af strålingsskader under kortlægning. I modsætning hertil blev dette kort over dødt lithium indlejret i forglaset elektrolyt og lithiumsubstratet nedenunder udført ved to kilovolt og 0,84 nanoampere, hvilket bevarede prøveoverflademorfologien.Selv om nogle skader stadig er synlige efter kortlægningen, reduceres skadens omfang betydeligt. I denne analyse blev EDX-kortlægning brugt til at lokalisere jernoxidnanopartikler dyrket i en silicahydrogel. Store feltscanninger gjorde det muligt at identificere områder af interesse, mens mere lokaliserede scanninger blev brugt til stedsspecifik fræsning.Prøveopladning kan være skadelig for succesen med denne procedure. Husk at sænke strålestrømmene og opholdstiderne efter behov for at begrænse virkningerne af opladning. Herefter kan en cryo-FIB lift-out udføres for at forberede en stedsspecifik lamel til TEM-analyse.Prøver kan afbildes ved sub-angstrom opløsning og kortlægge den kemiske fordeling ved hjælp af ål og EDX i et TEM-instrument.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-sonde Single-elektron Capacitance spektroskopi

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Speciation and Bioavailability Measurements of Environmental Plutonium Using Diffusion in Thin Films

Artsdannelse og biotilgængelighed Målinger af Environmental Plutonium Brug Diffusion i Thin Films

The biological uptake of plutonium (Pu) in aquatic ecosystems is of particular concern since it is an alpha-particle emitter with long half-life which can ...

Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures

Ohmsk Kontakt Fabrication Ved hjælp af en Fokuseret-ion Beam Teknik og elektrisk karakterisering for Layer Semiconductor nanostrukturer

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor ...

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

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

I Dybde Analyser af lysdioder ved en kombination af X-ray Computed Tomography (CT) og Light Microscopy (LM) korreleret med Scanning Electron Microscopy (SEM)

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

Omfattende karakterisering af Extended Fejl i Semiconductor Materials af en Scanning Electron Microscope

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

Studere dynamiske processer af Nano-størrelse Objekter i Liquid hjælp Scanning Transmission Electron Microscopy

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

Precision Milling af kulstof nanorør skove Brug Low Pressure Scanning Electron Microscopy

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

En ny metode til<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karakterisering af nanoskalaeksempler

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

Fokuseret Ion Beam fabrikation af LiPON-baseret Solid-state Lithium-ion Nanobatteries til In Situ test

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

Encifrede Nanometer Electron-Beam litografi med en Aberration-korrigeret Scanning transmissions elektron mikroskop

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