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

Мы высоко ценим вклад Шуан-Янь Лана и Эктора Д. Абруньи, которые предоставили образцы для наших исследований. Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (NSF) (DMR-1654596) и использовала Корнелльский центр исследований материалов, поддерживаемый NSF под номером DMR-1719875.

1. Подготовьте образец и перенесите его в камеру SEM
<ol><li>Настройка микроскопа<ol>
<li>Для систем, которые преобразуются между комнатной температурой и криогенным оборудованием, установите крио-SEM-ступень и антиконтаминатор в соответствии с инструкциями производителя оборудования и эваку...

<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>

Описанный здесь метод криогенной подготовки важен и должен быть выполнен правильно для сохранения химии и морфологии8. Главной проблемой является быстрое замораживание образца, поскольку именно это позволяет остекловать жидкость8. Если образец охлаждается с...

Интерфейсы между твердыми и жидкими веществами играют жизненно важную роль в функции энергетических материалов, таких как батареи, топливные элементы и суперконденсаторы 1,2,3. Хотя характеристика химии и морфологии этих интерфейсов может играть центральную роль в улучшении функциональных устройств, это представляет собой существенную проблему 1,3,4. Жидкости несовместимы с высоковакуумной средой, необходимой для многих распространенных методов характеризации, таких как рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия2. Исторически сложилось так, что решение состояло в том, чтобы удалить жидкость из устройства, но это происходит за счет потенциально повреждающих деликатных структур на границераздела 2,4 или изменения морфологии3. В случае батарей, особенно тех, в которых используются высокореакционноспособные щелочные металлы, этот физический ущерб усугубляется химической деградацией при воздействии воздуха5.
В данной работе описывается крио-SEM и сфокусированный ионный пучок (FIB) как метод сохранения и характеристики твердо-жидких интерфейсов. Показано, что подобные методы сохраняют структуру клеток в биологических образцах 6,7,8, энергетических устройствах 5,9,10,11,12 и наноразмерных коррозионных реакциях 13,14,15 . Суть метода заключается в остекливании образца путем погружного замораживания в слякотный азот перед переносом в микроскоп, где он помещается на криогенно охлажденную стадию. Витрификация стабилизирует жидкость в вакууме микроскопа, избегая при этом структурных деформаций, связанных с кристаллизацией 6,8. Попав в микроскоп, двухлучевая система позволяет получать наноразмерную визуализацию с помощью электронного пучка и подготовку поперечных сечений с помощью сфокусированного ионного пучка. Наконец, химическая характеристика обеспечивается с помощью энергодисперсионного рентгеновского картирования (EDX). В целом, крио-SEM/FIB может сохранять нативную структуру твердо-жидкого интерфейса, создавать поперечные сечения и обеспечивать как химическую, так и морфологическую характеристику.
В дополнение к обеспечению общего рабочего процесса для крио-SEM и EDX-картирования, в этом документе будет описан ряд методов смягчения артефактов от фрезерования и визуализации. Часто остеклованные жидкости являются деликатными и изолирующими, что делает их склонными к зарядке, а также повреждению балки8. Хотя был разработан ряд методов для уменьшения этих нежелательных эффектов в образцах при комнатной температуре 16,17,18, некоторые из них были модифицированы для криогенного применения. В частности, эта процедура детализирует нанесение проводящих покрытий, сначала золото-палладиевого сплава, а затем более толстого платинового слоя. Кроме того, предоставляются инструкции, помогающие пользователям идентифицировать зарядку, когда она происходит, и регулировать условия электронного пучка, чтобы смягчить накопление заряда. Наконец, хотя повреждение луча имеет много общих характеристик с зарядкой, они могут возникать независимо друг от друга16, и предусмотрены руководящие принципы для минимизации повреждения луча на этапах, где это наиболее вероятно.
Хотя двухлучевой SEM/FIB не является единственным инструментом электронной микроскопии, который был адаптирован для криогенной работы, он особенно хорошо подходит для этой работы. Часто реалистичные устройства вроде аккумулятора имеют размер в несколько сантиметров, при этом многие интересующие особенности находятся порядка от микрона до нанометров, а наиболее значимая информация может содержаться в поперечном сечении интерфейса 4,5,19. Хотя такие методы, как сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM) в сочетании со спектроскопией потерь энергии электронов (EELS), позволяют получать изображения и химическое картирование вплоть до атомного масштаба, они требуют обширной подготовки, чтобы сделать образец достаточно тонким, чтобы быть электронным прозрачным, резко ограничивая пропускную способность 3,4,19,20,21,22 . Cryo-SEM, напротив, позволяет быстро зондировать интерфейсы в макроскопических устройствах, таких как анод литий-металлической батареи монетного элемента, хотя и с более низким разрешением в десятки нанометров. В идеале применяется комбинированный подход, который использует преимущества обоих методов. Здесь мы фокусируемся на криогенных методах FIB/SEM с более высокой пропускной способностью.
Литий-металлические батареи были использованы в качестве основного тестового случая для этой работы, и они демонстрируют широкую полезность методов крио-SEM: они имеют тонкие структуры, представляющие научный интерес 4,5,9,10,11,12, имеют широко варьирующийся химический состав, который должен быть выявлен с помощью EDX 2, и криогенные методы необходимы для сохранения реакционноспособного лития 5, 21. В частности, неравномерные литиевые отложения, известные как дендриты, а также интерфейсы с жидким электролитом сохраняются и могут быть визуализированы и нанесены на карту с помощью EDX 4,5,12. Кроме того, литий обычно окисляется во время приготовления и образует сплав с галлием во время измельчения, но сохраненный электролит предотвращает окисление, а криогенные температуры смягчают реакции с галлием5. Многие другие системы (особенно энергетические устройства) имеют такие же тонкие структуры, сложные химические вещества и реакционноспособные материалы, поэтому успех крио-SEM по изучению литий-металлических батарей можно считать многообещающим признаком того, что он подходит и для других материалов.
Протокол использует двухлучевую систему FIB/SEM, оснащенную криогенной ступенью, криогенной подготовительной камерой и криогенной системой переноса, как подробно описано в Таблице материалов. Для подготовки криоиммобилизованных образцов имеется рабочее место с «слякотью», которая представляет собой поролоновый изолированный горшок, который находится в вакуумной камере на станции. Пеноизолированный двойной горшок содержит первичную азотную камеру и вторичную камеру, которая окружает первую и уменьшает кипение в основной части кастрюли. После заполнения азотом над кастрюлей помещается крышка, и вся система может быть эвакуирована с образованием слякотного азота. Система переноса с небольшой вакуумной камерой используется для передачи образца под вакуумом в камеру подготовки или «подготовки» микроскопа. В подготовительной камере образец может храниться при -175 °C и распыляться с покрытием проводящим слоем, таким как золото-палладиевый сплав. Как подготовительная камера, так и камера SEM имеют криогенно охлаждаемую ступень для удержания образца и антиконтаминатор для адсорбции загрязняющих веществ и предотвращения накопления льда на образце. Вся система охлаждается газообразным азотом, который протекает через теплообменник, погруженный в жидкий азот, а затем через две криоступенчатые и два антиконтаминатора системы.

<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

Физико-химические процессы на границах раздела твердой и жидкой промышленности играют решающую роль во многих природных и технологических явлениях, включая катализ, выработку солнечной энергии и топлива, а также хранение электрохимической энергии. Наноразмерная характеристика таких интерфейсов недавно была достигнута с использованием криогенной электронной микроскопии, тем самым обеспечив новый путь к продвижению нашего фундаментального понимания интерфейсных процессов.
Этот вклад представляет собой практическое руководство по картированию структуры и химии твердо-жидких интерфейсов в материалах и устройствах с использованием интегрированного подхода криогенной электронной микроскопии. В этом подходе мы объединяем криогенную пробоподготовку, которая позволяет стабилизировать твердо-жидкие интерфейсы с криогенным сфокусированным ионным пучком (крио-FIB) для создания поперечных сечений через эти сложные погребенные структуры. Методы криогенной сканирующей электронной микроскопии (крио-SEM), выполняемые в двухлучевой FIB / SEM, позволяют получать прямую визуализацию, а также химическое картирование на наноуровне. Мы обсуждаем практические вызовы, стратегии их преодоления, а также протоколы для получения оптимальных результатов. В то время как мы фокусируемся в нашем обсуждении на интерфейсах в устройствах хранения энергии, описанные методы широко применимы к ряду областей, где твердо-жидкостный интерфейс играет ключевую роль.

Этот метод был разработан на двойной системе FIB/SEM, оснащенной коммерчески доступной криогенной ступенью, антиконтаминатором и подготовительной камерой. Подробности смотрите в таблице материалов. Мы в первую очередь протестировали этот метод на литий-металлических батареях с рядом ра...

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

Методы криогенного сфокусированного ионного пучка (FIB) и сканирующей электронной микроскопии (SEM) могут дать ключевую информацию о химии и морфологии неповрежденных твердо-жидких интерфейсов. Методы подготовки высококачественных спектроскопических карт энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDX) таких интерфейсов детализированы с акцентом на накопители энергии.

Наноразмерная характеристика интерфейсов жидкость-твердое вещество путем сопряжения криофокусированного ионного пучка фрезерования со сканирующей электронной микроскопией и спектроскопией

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

Метод крио-SEM и FIB может быть использован для изучения твердо-жидких интерфейсов и биологических образцов при сохранении нативной структуры образцов. Основным преимуществом этой техники является то, что крио-SEM позволяет пользователю быстро исследовать интерфейс макроскопических устройств, таких как электроды батарей с монетными элементами с разрешением в десятки нанометров. Начните с установки крио-SEM-сцены и антиконтаминатора.Отсоедините камеру SEM и отрегулируйте систему впрыска газа, ГИС, источник платины таким образом, чтобы при вставке источник находился примерно в пяти миллиметрах от поверхности образца. Установите температуру ГИС на 28 градусов по Цельсию и откройте затвор, чтобы выпустить систему в течение 30 секунд, чтобы очистить от лишнего материала. Затем позвольте камере SEM эвакуироваться в течение как минимум восьми часов.В конце периода эвакуации установите микроскоп и подготовительные ступени на минус 175 градусов по Цельсию и установите антиконтаминатор на минус 192 градуса цельсия. Чтобы остеклить образец, последовательно заполняйте основной объем азотного двойного горшка и окружающий объем жидким азотом до тех пор, пока жидкий азот не перестанет бурлить. Запечатайте заполненный слякот с крышкой и запустите слякотный насос.Когда жидкий азот начнет затвердевать, начните выпускать слякоть горшок. Как только давление будет достаточно высоким, чтобы позволить горшку открыться, быстро, но осторожно поместите образец в азот. Когда кипение вокруг образца прекратится, используйте предварительно охлажденный переходный стержень для передачи образца в вакуумную камеру предварительно охлажденного шаттла SEM непосредственно перед тем, как азот начнет замерзать.Быстро перенесите шаттл в шлюз подготовительной камеры и насос на передаточную систему. При желании нанесите от пяти до 10 нанометров золото-палладиевого слоя на поверхность образца, чтобы смягчить заряд. Затем как можно быстрее и плавно перенесите челнок образца на охлажденную ступень микроскопа.Для визуализации поверхности образца сначала визуализируйте образец с увеличением 100 X. Затем доведите образец до приблизительно эйцентрической высоты и получите второе изображение с низким увеличением. Выберите область жертвенного испытания в остеклованной жидкости и определите любые потенциальные проблемы, которые могут присутствовать из-за повреждения луча или зарядки.Найдите в образце интересующие регионы. Когда область будет идентифицирована, наклоните образец так, чтобы поверхность была нормальной в направлении платиновой ГИС-иглы, и вставьте иглу ГИС. Нагрейте поверхность до 28 градусов цельсия и откройте клапан примерно на 2,5 минуты, прежде чем втянуть источник.Наклоните образец челнока к источнику сфокусированного ионного пучка и подвергайте металлическую платину 30-киловольтному ионному пучку при 2,8 наноамперах и увеличении 800 X в течение 30 секунд. Затем визуализируйте поверхность образца электронным пучком, чтобы убедиться, что поверхность гладкая и не имеет каких-либо признаков зарядки. Чтобы подготовить поперечное сечение, сначала используйте ионный пучок при 30 киловольтах и более низкий объемный тока измельчения примерно 2,8 наноампера, чтобы получить снимок поверхности образца.Определите интересующий признак и отмерьте грубое расположение поперечного сечения. Чтобы создать боковое окно для рентгеновских лучей, нарисуйте правильное поперечное сечение, повернутое на 90 градусов относительно того, где будет находиться траншея, и поместите боковое стекло с одним краем, примерно заподлицо с желаемым конечным поперечным сечением. Измените размер повернутого рисунка, чтобы максимизировать количество рентгеновских лучей для выхода из поверхности поперечного сечения.Используйте высокий ток для создания регулярного поперечного сечения, достаточно большого, чтобы выявить интересующую особенность, и используйте пучок ионов в 30 киловольт и интересующий ток для получения снимка поверхности образца. Определите интересующую особенность и доработайте размещение траншеи. Траншея должна простираться по обе стороны от интересующего объекта на несколько микрон.Убедитесь, что между краем траншеи и желаемым конечным поперечным сечением находится один микрометр материала, и используйте фрезерное приложение для установки Z-глубины на два микрометра, регулярно приостанавливая процесс фрезерования для получения изображения поперечного сечения с электронным пучком по мере необходимости. Когда траншея намного глубже, чем интересующая особенность, обратите внимание на количество времени, необходимое для создания грубой траншеи для направления глубины. Чтобы создать окончательное, чистое поперечное сечение, уменьшите ток ионного пучка примерно до 0,92 наноампер и визуализируйте поверхность образца.После проверки местоположения интересующего объекта используйте программное обеспечение сфокусированного ионного пучка, чтобы нарисовать поперечное сечение очистки и перекрыть окно очистки с предварительно изготовленной траншеей по крайней мере на один микрометр, чтобы помочь смягчить повторное осаждение. Затем используйте время, необходимое для создания траншеи, чтобы установить значение Z-глубины. Для картирования EDX выберите соответствующие условия пучка для образца и ориентируйте образец, чтобы максимизировать количество рентгеновских лучей.Вставьте детектор EDX и установите соответствующее время процесса. В программном обеспечении детектора откройте настройку микроскопа и запустите изображение электронного пучка. Нажмите кнопку Hit Record, чтобы измерить скорость подсчета и мертвое время.Если мертвое время необходимо отрегулировать, измените константу времени EDX. После того, как условия детектора установлены, соберите изображение электронного пучка и откройте Image Setup, чтобы выбрать битовую глубину и разрешение изображения. Выберите разрешение рентгеновской карты, диапазон спектра, количество каналов и время ожидания карты.Диапазон энергий может быть таким же низким, как и используемая энергия луча. Затем в программном обеспечении EDX выберите область для отображения. Когда карта будет завершена, сохраните ее в виде куба данных.Эти изображения голой литиевой фольги, измельченной при 25 и минус 165 градусах Цельсия, показывают, как охлаждение до криогенных температур может помочь сохранить образцы во время фрезерования сфокусированного ионного пучка. Для экспериментов EDX геометрия фрезерования сфокусированного ионного пучка должна быть оптимизирована и учитывать положение детектора EDX. Здесь можно наблюдать разницу между хорошо подготовленным и плохо подготовленным криоиммобилизованным образцом, оба с использованием литий-металлической батареи в качестве примера.Хотя оба образца были номинально приготовлены в соответствии с одной и той же процедурой, кратковременное воздействие воздуха, скорее всего, привело к поверхностным реакциям, наблюдаемым в плохо подготовленном образце. Картирование литиевого месторождения в 1, 3-диоксолане, 1, 2-диметоксиэтане с не оптимальными условиями приводит к изменениям контраста, вероятно, признаку первоначально хорошо сохранившегося интерфейса, который теряется из-за радиационного повреждения во время картирования. Напротив, эта карта мертвого лития, встроенного в остеклованный электролит и литиевую подложку под ним, была выполнена при двух киловольтах и 0,84 наноамперах, сохраняя морфологию поверхности образца.Хотя некоторые повреждения все еще видны после картографирования, степень ущерба значительно снижается. В этом анализе картирование EDX использовалось для обнаружения наночастиц оксида железа, выращенных в гидрогеле кремнезема. Сканирование большого поля зрения позволило идентифицировать интересующие регионы, в то время как более локализованные сканирования использовались для фрезерования для конкретного сайта.Зарядка образцов может нанести ущерб успеху этой процедуры. Не забывайте о том, чтобы опускать токи пучка и время ожидания по мере необходимости, чтобы ограничить эффекты зарядки. После этого можно выполнить крио-FIB подъем для подготовки специфичной для участка ламели для анализа ТЕА.Образцы могут быть сфотографированы с разрешением ниже ангстрема и отображать химическое распределение с использованием EELS и EDX в приборе TEM.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Сканирующего зонда Одноэлектронные емкостной спектроскопии

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

Видообразования и биодоступности Измерения окружающей среды плутонием диффузия в тонких пленках

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

Токопроводящее Изготовление, используя технику сфокусированного ионного пучка и характеристик для Электрические слоя полупроводниковых наноструктур

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

В Depth Анализы светодиодов с помощью комбинации рентгеновской компьютерной томографии (КТ) и световой микроскопии (LM) коррелируют с сканирующей электронной микроскопии (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

Исчерпывающая характеристика протяженных дефектов в полупроводниковых материалах на растровом электронном микроскопе

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

Изучение динамических процессов наноразмерных объектов в жидкости с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа

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

Точность Фрезерование углеродная нанотрубка лесов Использование низкого давления Сканирование электронной микроскопии

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

Новый метод для<em&gt; Разное</em&gt; Электромеханическая характеристика наноразмерных образцов

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

Целенаправленные Ион луч изготовление Nanobatteries ЛИПОН основе твердотельных литий ионный на месте тестирования

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

Однозначных нанометр электронно лучевая литография с исправления аберраций сканирования просвечивающий электронный микроскоп

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