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 anerkjenner sterkt bidragene fra Shuang-Yan Lang og Héctor D. Abruña som ga prøver til vår forskning. Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation (NSF) (DMR-1654596) og benyttet cornellsenteret for materialforskningsfasiliteter støttet av NSF under tildelingsnummer DMR-1719875.

1. Forbered prøven og overfør til SEM-kammeret
<ol><li>Sette opp mikroskopet<ol>
<li>For systemer som konverterer mellom romtemperatur og kryogent utstyr, installerer du kryo-SEM-scenen og antikontamineatoren i henhold til utstyrsprodusentens instruksjoner og evakuerer SEM-kammeret.</li>
		<li>Juster gassinjeksjonssystemets (GIS) platinakilde slik at den sitter omtrent 5 mm lenger unna prøveoverflaten sammenlignet med typiske romtemperatureksperimenter når den settes inn. Denne posisjonen må optimaliseres for hver...

<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 fremstillingsmetoden som er beskrevet her, er viktig og må gjøres riktig for at kjemien og morfologien skal bevares8. Den fremste bekymringen er å fryse prøven raskt siden dette er det som gjør at væsken kan vitrifiseres8. Hvis prøven avkjøles for sakte, kan væsker krystallisere noe som resulterer i en endring i morfologi6. For å forhindre krystallisering brukes slush nitrogen i denne prosedyren, da det reduserer Leidenfrost-ef...

Grensesnitt mellom faste stoffer og væsker spiller en viktig rolle i funksjonen til energimaterialer som batterier, brenselceller og superkondensatorer 1,2,3. Selv om karakterisering av kjemien og morfologien til disse grensesnittene kan spille en sentral rolle i å forbedre funksjonelle enheter, har det gitt en betydelig utfordring 1,3,4. Væsker er uforenlige med de høye vakuummiljøene som trengs for mange vanlige karakteriseringsteknikker, for eksempel røntgenfotoemisjonsspektroskopi, skanning elektronmikroskopi (SEM) og overføringselektronmikroskopi2. Historisk har løsningen vært å fjerne væsken fra enheten, men dette kommer på bekostning av potensielt skadelige delikate strukturer ved grensesnittet 2,4 eller modifisere morfologi3. Når det gjelder batterier, spesielt de som bruker svært reaktive alkalimetaller, er denne fysiske skaden sammensatt av kjemisk nedbrytning ved eksponering for luft5.
Dette dokumentet beskriver kryo-SEM og fokusert ionstråle (FIB) som en metode for å bevare og karakterisere fast-væske grensesnitt. Lignende metoder har vist seg å bevare strukturen av celler i biologiske prøver 6,7,8, energienheter 5,9,10,11,12 og nanoskala korrosjonsreaksjoner 13,14,15 . Kjernen i teknikken er å vitrify prøven via dykkfrysing i slush nitrogen før overføring til mikroskopet der den er plassert på et kryogent avkjølt stadium. Vitrifisering stabiliserer væsken i mikroskopets vakuum samtidig som strukturelle deformasjoner forbundet med krystallisering 6,8 unngås. En gang i mikroskopet tillater et dobbeltstrålesystem nanoskala bildebehandling med elektronstrålen, og forberedelse av tverrsnitt med den fokuserte ionstrålen. Til slutt er kjemisk karakterisering aktivert via EDX-kartlegging (Energy Dispersive X-ray). Til sammen kan kryo-SEM/FIB bevare den opprinnelige strukturen til et fast væskegrensesnitt, skape tverrsnitt og gi både kjemisk og morfologisk karakterisering.
I tillegg til å tilby en generell arbeidsflyt for kryo-SEM- og EDX-kartlegging, vil dette dokumentet beskrive en rekke metoder for å redusere artefakter fra fresing og avbildning. Ofte er vitrifiserte væsker delikate og isolerende, noe som gjør dem utsatt for lading samt bjelkeskade8. Mens det er etablert en rekke teknikker for å redusere disse uønskede effektene i prøver ved romtemperatur 16,17,18, har flere blitt modifisert for kryogene applikasjoner. Spesielt beskriver denne prosedyren anvendelse av ledende belegg, først en gull-palladium legering, etterfulgt av et tykkere platinalag. I tillegg gis det instruksjoner for å hjelpe brukere med å identifisere lading når det oppstår, og justere elektronstråleforholdene for å redusere opphopning av ladning. Til slutt, selv om stråleskade har mange egenskaper til felles med lading, kan de to oppstå uavhengig av hverandre16, og retningslinjer er gitt for å minimere stråleskade i trinnene der det er mest sannsynlig.
Selv om dual-beam SEM/FIB ikke er det eneste elektronmikroskopiverktøyet som er tilpasset kryogene operasjoner, er det spesielt godt egnet for dette arbeidet. Ofte er realistiske enheter som et batteri på skalaen av flere centimeter i størrelse, mens mange av funksjonene av interesse er på størrelse med mikroner til nanometer, og den mest meningsfulle informasjonen kan finnes i tverrsnittet av grensesnittet 4,5,19. Selv om teknikker som Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) kombinert med Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) muliggjør avbildning og kjemisk kartlegging ned til atomskalaen, krever de omfattende forberedelser for å gjøre prøven tilstrekkelig tynn til å være elektron gjennomsiktig, noe som dramatisk begrensergjennomstrømningen 3,4,19,20,21,22 . Cryo-SEM tillater derimot rask gransking av grensesnitt i makroskopiske enheter, for eksempel anoden til en litiummetallbatterimyntcelle, om enn med en lavere oppløsning på titalls nanometer. Ideelt sett brukes en kombinert tilnærming som utnytter fordelene ved begge teknikkene. Her fokuserer vi på høyere gjennomstrømningskryogene FIB/SEM-teknikker.
Litiummetallbatterier ble brukt som det primære testtilfellet for dette arbeidet, og de demonstrerer den brede nytten av cryo-SEM-teknikker: de har delikate strukturer av vitenskapelig interesse 4,5,9,10,11,12, har bredt varierende kjemi som skal avsløres via EDX 2, og kryogene teknikker kreves for å bevare det reaktivelitiumet 5, 21. Spesielt er de ujevne litiumavsetningene kjent som dendritter, samt grensesnittene med væskeelektrolytten bevart og kan avbildes og kartlegges med EDX 4,5,12. I tillegg vil litium vanligvis oksidere under tilberedning og danne en legering med gallium under fresing, men den bevarte elektrolytten forhindrer oksidasjon og kryogeniske temperaturer reduserer reaksjoner med gallium5. Mange andre systemer (spesielt energienheter) har tilsvarende delikate strukturer, komplekse kjemier og reaktive materialer, slik at suksessen til kryo-SEM på studiet av litiummetallbatterier også kan betraktes som en lovende indikasjon på at den også er egnet for andre materialer.
Protokollen bruker et FIB/SEM-system med dobbel stråle utstyrt med et kryogene stadium, et kryogene forberedelseskammer og et kryogent overføringssystem, som beskrevet i materialtabellen. For å forberede de kryo-immobiliserte prøvene er det en arbeidsstasjon med en "slush pot", som er en skumisolert gryte som sitter i et vakuumkammer på stasjonen. Den skumisolerte dual pot slusher inneholder et primært nitrogenkammer og et sekundært kammer som omgir førstnevnte og reduserer koking i hoveddelen av potten. Når det er fylt med nitrogen, plasseres et lokk over potten og hele systemet kan evakueres for å danne slush nitrogen. Et overføringssystem med et lite vakuumkammer brukes til å overføre prøven under vakuum til preparatet eller "prep" kammeret i mikroskopet. I prep-kammeret kan prøven holdes ved -175 °C og sputter belagt med et ledende lag, for eksempel en gull-palladiumlegering. Både prep-kammeret og SEM-kammeret har et kryogent avkjølt stadium for å holde prøven, og en antikontaminator til adsorbforurensninger og for å forhindre isoppbygging på prøven. Hele systemet avkjøles med nitrogengass som strømmer gjennom en varmeveksler nedsenket i flytende nitrogen, og deretter gjennom de to kryo-stadiene og to antikontaminatorer av 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 kjemiske prosesser ved fastflytende grensesnitt spiller en avgjørende rolle i mange naturlige og teknologiske fenomener, inkludert katalyse, solenergi og drivstoffgenerering, og elektrokjemisk energilagring. Nanoskala karakterisering av slike grensesnitt har nylig blitt oppnådd ved hjelp av kryogene elektronmikroskopi, og gir dermed en ny vei til å fremme vår grunnleggende forståelse av grensesnittprosesser.
Dette bidraget gir en praktisk veiledning for å kartlegge strukturen og kjemien til fastflytende grensesnitt i materialer og enheter ved hjelp av en integrert kryogene elektronmikroskopitilnærming. I denne tilnærmingen parrer vi kryogen prøvepreparering som tillater stabilisering av fast-væske grensesnitt med kryogene fokuserte ionstråle (cryo-FIB) fresing for å skape tverrsnitt gjennom disse komplekse begravde strukturer. Kryogene skanningselektronmikroskopiteknikker (cryo-SEM) utført i en fib/SEM med dobbel stråle muliggjør direkte bildebehandling samt kjemisk kartlegging på nanoskalaen. Vi diskuterer praktiske utfordringer, strategier for å overvinne dem, samt protokoller for å oppnå optimale resultater. Mens vi fokuserer i vår diskusjon om grensesnitt i energilagringsenheter, er metodene som er skissert, stort sett gjeldende for en rekke felt der fast væskegrensesnitt spiller en nøkkelrolle.

Denne metoden er utviklet på et dobbelt FIB/SEM-system utstyrt med et kommersielt tilgjengelig kryogent stadium, antikontaminator og forberedelseskammer. Hvis du vil ha mer informasjon, kan du se materialtabellen. Vi har primært testet denne metoden på litiummetallbatterier med en rekke forskjellige elektrolytter, men metoden gjelder for ethvert fast væskegrensesnitt som vil tåle mengden dose som brukes under EDX-kartlegging.
Figur 1 illustrerer de ulike komp...

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

Kryogene fokuserte ionstråleteknikker (FIB) og skanning av elektronmikroskopiteknikker (SEM) kan gi viktig innsikt i kjemien og morfologien til intakte fastflytende grensesnitt. Metoder for å forberede EDX-spektroskopiske kart av høy kvalitet av slike grensesnitt er detaljerte, med fokus på energilagringsenheter.

Nanoskala karakterisering av flytende-solide grensesnitt ved kobling av Kryo-fokusert ionstråle fresing med skanning elektronmikroskopi 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 brukes til å studere fast-væske grensesnitt og biologiske prøver samtidig bevare prøvene innfødt struktur. Den største fordelen med denne teknikken er at cryo-SEM lar brukeren raskt sondere grensesnittet til makroskopiske enheter som myntcellebatterielektroder med titalls nanometeroppløsning. Begynn med å installere et kryo-SEM-stadium og en antikontaminator.Evakuer SEM-kammeret og juster gassinjeksjonssystemet, GIS, platinakilden slik at kilden når den settes inn, vil sitte omtrent fem millimeter unna prøveoverflaten. Sett GIS-temperaturen på 28 grader Celsius og åpne lukkeren for å ventilere systemet i 30 sekunder for å fjerne overflødig materiale. La deretter SEM-kammeret evakuere i minst åtte timer.På slutten av evakueringsperioden, sett mikroskopet og prep stadier til minus 175 grader Celsius og sett antikontaminatoren til minus 192 grader Celsius. For å vitrify prøven, fyll sekvensielt hovedvolumet av nitrogen dual-pot slusher og det omkringliggende volumet med flytende nitrogen til det flytende nitrogenet slutter å boble. Forsegle den fylte pekepennen med lokket og start slushpumpen.Når det flytende nitrogenet begynner å størkne, begynner du å ventilere slushpotten. Når trykket er høyt nok til at gryten kan åpnes, plasserer du raskt, men forsiktig prøven i nitrogenet. Når kokingen har opphørt rundt prøven, bruk en forhåndskjølt overføringsstang for å overføre prøven til vakuumkammeret til en forhåndskjølt SEM-shuttle like før nitrogenet begynner å fryse.Overfør skyttelbussen raskt til luftslusen til prep-kammeret og pumpen på overføringssystemet. Om ønskelig sputter fem til ti nanometer av et gull-palladiumlag på prøveoverflaten for å redusere ladingen. Overfør deretter prøvefergen så raskt og smidig som mulig til det avkjølte mikroskopstadiet.For eksempeloverflatebilder må du først ta et bilde av prøven med en forstørrelse på 100 X. Deretter tar du prøven til en omtrent eusentrisk høyde og får et nytt bilde med lav forstørrelse. Velg et offertestområde i den vitrifiserte væsken og identifiser eventuelle problemer som kan være til stede på grunn av stråleskade eller lading.Søk i eksemplet etter interesseområdene. Når en region er identifisert, vipp prøven slik at overflaten er normal i retning av platina GIS-nålen og sett inn GIS-nålen. Varm overflaten til 28 grader Celsius og åpne ventilen i ca. 2,5 minutter før du trekker tilbake kilden.Vipp prøvefergen mot den fokuserte ionstrålekilden og utsett den organo-metalliske platina til en 30 kilovolt ionstråle ved 2,8 nanoamper og en 800 X forstørrelse i 30 sekunder. Deretter kan du se for deg prøveoverflaten med elektronstrålen for å bekrefte at overflaten er jevn og mangler tegn på lading. For å forberede et tverrsnitt, bruk først ionstrålen på 30 kilovolt og en lavere bulkfresestrøm på ca. 2,8 nanoamper for å få et øyeblikksbilde av prøveoverflaten.Identifiser funksjonen av interesse og mål ut den grove plasseringen av tverrsnittet. For å lage et sidevindu for røntgenbildene, tegn et vanlig tverrsnitt rotert 90 grader i forhold til hvor grøften skal være og plasser sidevinduet med en kant omtrent i flukt med ønsket siste tverrsnitt. Endre størrelsen på det roterte mønsteret for å maksimere antall røntgenbilder for å gå ut av tverrsnittsoverflaten.Bruk en høy strøm til å lage et vanlig tverrsnitt akkurat stort nok til å avsløre funksjonen av interesse og bruke ionstrålen på 30 kilovolt og strømmen av interesse for å skaffe øyeblikksbilde av prøveoverflaten. Identifiser funksjonen av interesse og fullfør plasseringen av grøften. Grøften skal strekke seg forbi hver side av funksjonen av interesse av noen få mikroner.Bekreft at det er ett mikrometer materiale mellom kanten av grøften og ønsket siste tverrsnitt og bruk freseapplikasjonen til å sette Z-dybden til to mikrometer, og sett freseprosessen regelmessig på pause for å avbilde tverrsnittet med elektronstrålen etter behov. Når grøften er mye dypere enn funksjonen av interesse, legg merke til hvor mye tid som trengs for å skape den grove grøften for å lede dybden. Hvis du vil opprette et endelig, rent tverrsnitt, senker du ionstrålestrømmen til ca. 0,92 nanoamper og ser for seg prøveoverflaten.Etter å ha bekreftet plasseringen av funksjonen av interesse, bruk den fokuserte ionstråleprogramvaren til å tegne et rengjøringstrsnitt og overlappe rengjøringsvinduet med den forhåndslagde grøften med minst ett mikrometer for å redusere re-avsetningen. Bruk deretter tiden som trengs for å lage grøften for å angi Z-dybdeverdien. For EDX-kartlegging velger du de aktuelle strålebetingelsene for prøven og orienterer prøven for å maksimere røntgenantallet.Sett inn EDX-detektoren og still inn riktig behandlingstid. Åpne mikroskopoppsettet i detektorprogramvaren, og start elektronstrålebildet. Klikk på Treffpost for å måle tellefrekvensen og dødtiden.Hvis dødtiden må justeres, endrer du EDX-tidskonstanten. Når detektorforholdene er etablert, samler du inn elektronstrålebildet og åpner Image Setup for å velge bitdybde og bildeoppløsning. Velg røntgenkartoppløsning, spektrumområde, antall kanaler og kartbotid.Energiområdet kan være så lavt som stråleenergien som brukes. Velg deretter området du vil tilordne over, i EDX-programvaren. Når tilordningen er fullført, lagrer du kartet som en datakube.Disse bildene av bar litiumfolie frest ved 25 og minus 165 grader Celsius fremhever hvordan kjøling til kryogeniske temperaturer kan bidra til å bevare prøver under fokusert ionstråle fresing. For EDX-eksperimenter bør den fokuserte ionstråle fresegeometrien optimaliseres og posisjonen til EDX-detektoren bør tas i betraktning. Her kan forskjellen mellom en godt og en dårlig forberedt kryo-immobilisert prøve, begge ved hjelp av litiummetallbatteriet som eksempel, observeres.Selv om begge prøvene var nominelt forberedt i henhold til samme prosedyre, resulterte en kort eksponering for luft mest sannsynlig i overflatereaksjonene som ble observert i den dårlig forberedte prøven. Kartlegging av et litiumavsetning i 1, 3-dioksolan, 1, 2-dimetoksyetan med ikke-optimale forhold resulterer i kontrastvariasjoner, sannsynligvis en indikasjon på et opprinnelig godt bevart grensesnitt som går tapt på grunn av strålingsskader under kartlegging. I kontrast ble dette kartet over dødt litium innebygd i vitrifisert elektrolytt og litiumsubstratet under utført ved to kilovolt og 0,84 nanoamper, og bevarte prøveoverflatens morfologi.Selv om en del skader fortsatt er synlige etter kartlegging, reduseres skadeomfanget betydelig. I denne analysen ble EDX-kartlegging brukt til å lokalisere jernoksid nanopartikler dyrket i en silikahydrgel. Store synsfeltskanninger tillot identifisering av interesseområder, mens mer lokaliserte skanninger ble brukt til stedsspesifikk fresing.Prøvelading kan være skadelig for suksessen til denne prosedyren. Husk å senke bjelkestrømmene og oppholdstidene etter behov for å begrense effekten av lading. Etter dette kan en kryo-FIB-lift-out utføres for å forberede en stedsspesifikk lamell for TEM-analyse.Prøver kan avbildes ved sub-angstrom oppløsning og kartlegge kjemisk distribusjon ved hjelp av EELS og EDX i et TEM-instrument.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Skanning-probe Single-elektron Kapasitans 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 biotilgjengelighet Målinger av Miljø Plutonium Bruke 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 hjelp av en Focused-ion Beam Teknikk 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 av lysdioder ved en kombinasjon av X-ray computertomografi (CT) og lysmikroskopi (LM) korrelert med Scanning elektronmikroskopi (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 av Extended Defekter i halvledermaterialer av en scanning elektronmikroskop

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

Studerer dynamiske prosesser av Nano store objekter i flytende ved hjelp av skanning transmisjonselektronmikroskopi

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 Fresing av karbon nanorør Forests av lavtrykk Scanning elektronmikroskopi

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 for<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karakterisering av 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

Fokusert Ion strålen fabrikasjon av LiPON-baserte SSD litium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

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

Ett siffer Nanometer elektronstråle Litografi med et avvik-korrigert skanning Transmission elektron mikroskop

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