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 erkänner starkt bidragen från Shuang-Yan Lang och Héctor D. Abruña som tillhandahöll prover för vår forskning. Detta arbete stöddes av National Science Foundation (NSF) (DMR-1654596) och använde Cornell Center for Materials Research Facilities som stöds av NSF under award number DMR-1719875.

1. Förbered provet och överför till SEM-kammaren
<ol><li>Ställ in mikroskopet<ol>
<li>För system som konverterar mellan rumstemperatur och kryogen utrustning, installera kryo-SEM-steget och antikontamineraren enligt utrustningstillverkarens instruktioner och evakuera SEM-kammaren.</li>
		<li>Justera platinakällan för gasinsprutningssystemet (GIS) så att den när den sätts in sitter cirka 5 mm längre bort från provytan jämfört med typiska rumstemperaturexperiment. Denna position måste optimeras för varje ...

<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 kryogena beredningsmetoden som beskrivs här är viktig och måste göras korrekt för att kemi och morfologi ska bevaras8. Det främsta problemet är att frysa provet snabbt eftersom det är det som gör att vätskan kan förglasas8. Om provet svalnar för långsamt kan vätskor kristallisera vilket resulterar i en förändring i morfologi6. För att förhindra kristallisering används slushkväve i denna procedur, eftersom det minskar Leidenfro...

Gränssnitt mellan fasta ämnen och vätskor spelar en viktig roll i funktionen hos energimaterial som batterier, bränsleceller och superkondensatorer 1,2,3. Även om karakteriseringen av kemin och morfologin hos dessa gränssnitt kan spela en central roll för att förbättra funktionella enheter, har det inneburit en betydande utmaning 1,3,4. Vätskor är oförenliga med de högvakuummiljöer som behövs för många vanliga karakteriseringstekniker, såsom röntgenfotoemissionsspektroskopi, svepelektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi2. Historiskt sett har lösningen varit att ta bort vätskan från enheten, men detta kommer på bekostnad av potentiellt skadliga känsliga strukturer vid gränssnittet 2,4 eller modifierande morfologi3. När det gäller batterier, särskilt sådana som använder mycket reaktiva alkalimetaller, förvärras denna fysiska skada av kemisk nedbrytning vid exponering för luft5.
Detta dokument beskriver kryo-SEM och fokuserad jonstråle (FIB) som en metod för att bevara och karakterisera fast-flytande gränssnitt. Liknande metoder har visat sig bevara cellernas struktur i biologiska prover 6,7,8, energianordningar 5,9,10,11,12 och korrosionsreaktioner i nanoskala 13,14,15 . Kärnan i tekniken är att förglasa provet via störtningsfrysning i slask kväve innan det överförs till mikroskopet där det placeras på ett kryogent kylt stadium. Förglasning stabiliserar vätskan i mikroskopets vakuum samtidigt som man undviker de strukturella deformationerna i samband med kristallisering 6,8. En gång i mikroskopet möjliggör ett dubbelstrålesystem nanoskala avbildning med elektronstrålen och beredning av tvärsnitt med den fokuserade jonstrålen. Slutligen möjliggörs kemisk karakterisering via kartläggning av energidispersiv röntgen (EDX). Sammantaget kan kryo-SEM / FIB bevara den ursprungliga strukturen i ett fast-flytande gränssnitt, skapa tvärsnitt och ge både kemisk och morfologisk karakterisering.
Förutom att tillhandahålla ett allmänt arbetsflöde för kryo-SEM- och EDX-kartläggning, kommer detta dokument att beskriva ett antal metoder för att mildra artefakter från fräsning och bildbehandling. Ofta är förglasade vätskor känsliga och isolerande, vilket gör dem benägna att ladda såväl som strålskador8. Medan ett antal tekniker har etablerats för att minska dessa oönskade effekter i prover vid rumstemperatur 16,17,18, har flera modifierats för kryogena applikationer. I synnerhet beskriver denna procedur applicering av ledande beläggningar, först en guldpalladiumlegering, följt av ett tjockare platinaskikt. Dessutom tillhandahålls instruktioner för att hjälpa användare att identifiera laddning när det inträffar och justera elektronstråleförhållandena för att mildra ansamlingen av laddning. Slutligen, även om strålskador har många egenskaper gemensamt med laddning, kan de två uppstå oberoende av varandra16, och riktlinjer ges för att minimera strålskador under de steg där det är mest troligt.
Även om dubbelstråle SEM / FIB inte är det enda elektronmikroskopiverktyget som har anpassats för kryogen drift, är det särskilt väl lämpat för detta arbete. Ofta realistiska enheter som ett batteri är på skalan av flera centimeter i storlek, medan många av de intressanta funktionerna är i storleksordningen mikron till nanometer, och den mest meningsfulla informationen kan finnas i tvärsnittet av gränssnittet 4,5,19. Även om tekniker som Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) i kombination med Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) möjliggör avbildning och kemisk kartläggning ner till atomskalan, kräver de omfattande förberedelser för att göra provet tillräckligt tunt för att vara elektrontransparent, vilket dramatiskt begränsar genomströmningen 3,4,19,20,21,22 . Cryo-SEM möjliggör däremot snabb sondering av gränssnitt i makroskopiska enheter, såsom anoden i en litiummetallbatterimyntcell, om än med en lägre upplösning på tiotals nanometer. Helst tillämpas ett kombinerat tillvägagångssätt som utnyttjar fördelarna med båda teknikerna. Här fokuserar vi på kryogena FIB/SEM-tekniker med högre genomströmning.
Litiummetallbatterier användes som det primära testfallet för detta arbete, och de visar den breda nyttan av kryo-SEM-tekniker: de har känsliga strukturer av vetenskapligt intresse 4,5,9,10,11,12, har i stort sett varierande kemi som ska avslöjas via EDX 2 och kryogena tekniker krävs för att bevara det reaktiva litiumet 5, 21. I synnerhet bevaras de ojämna litiumavlagringarna som kallas dendriter, liksom gränssnitten med den flytande elektrolyten och kan avbildas och kartläggas med EDX 4,5,12. Dessutom skulle litium vanligtvis oxidera under beredningen och bilda en legering med gallium under fräsning, men den bevarade elektrolyten förhindrar oxidation och kryogena temperaturer mildrar reaktioner med gallium5. Många andra system (särskilt energianordningar) har liknande känsliga strukturer, komplexa kemier och reaktiva material, så framgången för kryo-SEM på studien av litiummetallbatterier kan betraktas som en lovande indikation på att den också är lämplig för andra material.
Protokollet använder ett FIB/SEM-system med dubbla strålar utrustat med ett kryogent stadium, en kryogen beredningskammare och ett kryogent överföringssystem, vilket beskrivs i materialförteckningen. För att förbereda de kryo-immobiliserade proverna finns en arbetsstation med en "slush pot", som är en skumisolerad kruka som sitter i en vakuumkammare på stationen. Den skumisolerade dubbla krukslasen innehåller en kammare för primärt kväve och en sekundärkammare som omger den förra och minskar kokningen i huvuddelen av grytan. När det är fyllt med kväve placeras ett lock över potten och hela systemet kan evakueras för att bilda slask kväve. Ett överföringssystem med en liten vakuumkammare används för att överföra provet under vakuum till mikroskopets berednings- eller "förberedelsekammare". I förberedelsekammaren kan provet förvaras vid -175 °C och sputtras belagt med ett ledande skikt, såsom en guldpalladiumlegering. Både förberedelsekammaren och SEM-kammaren har ett kryogent kylt stadium för att hålla provet och en antikontaminerare för att adsorbera föroreningar och för att förhindra isuppbyggnad på provet. Hela systemet kyls med kvävgas som strömmar genom en värmeväxlare nedsänkt i flytande kväve och sedan genom de två kryostegen och två antikontaminerare 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

Fysikaliska och kemiska processer vid gränssnitt mellan fast och flytande material spelar en avgörande roll i många naturliga och tekniska fenomen, inklusive katalys, solenergi och bränsleproduktion samt elektrokemisk energilagring. Nanoskala karakterisering av sådana gränssnitt har nyligen uppnåtts med hjälp av kryogen elektronmikroskopi, vilket ger en ny väg att främja vår grundläggande förståelse av gränssnittsprocesser.
Detta bidrag ger en praktisk guide för att kartlägga strukturen och kemin hos fast-flytande gränssnitt i material och enheter med hjälp av en integrerad kryogen elektronmikroskopimetod. I detta tillvägagångssätt parar vi kryogen provberedning som möjliggör stabilisering av fast-flytande gränssnitt med kryogen fokuserad jonstråle (kryo-FIB) fräsning för att skapa tvärsnitt genom dessa komplexa begravda strukturer. Kryogena svepelektronmikroskopi (cryo-SEM) -tekniker som utförs i en dubbelstråle FIB / SEM möjliggör direkt avbildning samt kemisk kartläggning i nanoskala. Vi diskuterar praktiska utmaningar, strategier för att övervinna dem samt protokoll för att uppnå optimala resultat. Medan vi fokuserar i vår diskussion på gränssnitt i energilagringsenheter, är de beskrivna metoderna i stort sett tillämpliga på en rad områden där fast-flytande gränssnitt spelar en nyckelroll.

Denna metod har utvecklats på ett dubbelt FIB / SEM-system utrustat med ett kommersiellt tillgängligt kryogent stadium, antikontaminerare och beredningskammare. Mer information finns i materialförteckningen. Vi har främst testat denna metod på litiummetallbatterier med ett antal olika elektrolyter, men metoden är tillämplig på alla fasta vätskegränssnitt som tål mängden dos som appliceras under EDX-kartläggning.
Figur 1 illustrerar de olika komponente...

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 fokuserad jonstråle (FIB) och svepelektronmikroskopi (SEM) tekniker kan ge viktiga insikter i kemi och morfologi av intakta fast-flytande gränssnitt. Metoder för att förbereda högkvalitativa spektroskopiska kartor över sådana gränssnitt av hög kvalitet Energy Dispersive X-ray (EDX) är detaljerade, med fokus på energilagringsenheter.

Karakterisering i nanoskala av vätske-fasta gränssnitt genom koppling av kryofokuserad jonstrålefräsning med svepelektronmikroskopi och spektroskopi

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

Kryo-SEM- och FIB-metoden kan användas för att studera fasta vätskegränssnitt och biologiska prover samtidigt som provernas ursprungliga struktur bevaras. Den största fördelen med denna teknik är att kryo-SEM gör det möjligt för användaren att snabbt undersöka gränssnittet för makroskopiska enheter som myntcellsbatterielektroder med tiotals nanometer upplösning. Börja med att installera ett kryo-SEM-steg och en antikontaminerare.Evakuera SEM-kammaren och justera gasinsprutningssystemet, GIS, platinakällan så att källan kommer att sitta cirka fem millimeter från provytan när den sätts in. Ställ in GIS-temperaturen på 28 grader Celsius och öppna slutaren för att ventilera systemet i 30 sekunder för att rensa bort överflödigt material. Låt sedan SEM-kammaren evakuera i minst åtta timmar.I slutet av evakueringsperioden ställer du in mikroskopet och förberedelsestegen till minus 175 grader Celsius och ställer in antikontamineraren till minus 192 grader Celsius. För att förglasa provet fyller du sekventiellt huvudvolymen av kväve dubbelkrukslusher och den omgivande volymen med flytande kväve tills det flytande kvävet slutar bubbla. Försegla den fyllda slusheren med locket och initiera slaskpumpen.När det flytande kvävet börjar stelna, börja ventilera slaskpotten. När trycket är tillräckligt högt för att potten ska kunna öppnas, placera snabbt men försiktigt provet i kvävet. När kokningen har upphört runt provet, använd en förkyld överföringsstång för att överföra provet till vakuumkammaren i en förkyld SEM-skyttel strax innan kvävet börjar frysa.Överför snabbt skytteln till luftslussen i förberedelsekammaren och pumpen på överföringssystemet. Om så önskas, spruta fem till 10 nanometer av ett guldpalladiumskikt på provytan för att mildra laddningen. Överför sedan provskytteln så snabbt och smidigt som möjligt till det kylda mikroskopsteget.För provytavbildning, avbilda först provet med en 100 X förstoring. Ta sedan provet till en ungefär eucentrisk höjd och skaffa en andra lågförstoringsbild. Välj ett offertestområde i den förglasade vätskan och identifiera eventuella problem som kan uppstå på grund av strålskador eller laddning.Sök i exemplet efter de regioner som är av intresse. När en region har identifierats, luta provet så att ytan är normal i riktning mot platina GIS-nålen och sätt in GIS-nålen. Värm ytan till 28 grader Celsius och öppna ventilen i cirka 2,5 minuter innan du drar tillbaka källan.Luta provskytteln mot den fokuserade jonstrålekällan och utsätt den organometalliska platina för en 30 kilovolts jonstråle vid 2,8 nanoampere och en 800 X förstoring i 30 sekunder. Avbilda sedan provytan med elektronstrålen för att verifiera att ytan är slät och saknar tecken på laddning. För att förbereda ett tvärsnitt, använd först jonstrålen vid 30 kilovolt och en lägre bulkfräsström på cirka 2,8 nanoampere för att få en ögonblicksbild av provytan.Identifiera funktionen av intresse och mäta den grova placeringen av tvärsnittet. För att skapa ett sidofönster för röntgenstrålarna, rita ett vanligt tvärsnitt roterat 90 grader i förhållande till var diket kommer att vara och placera sidofönstret med en kant ungefär i linje med önskat slutligt tvärsnitt. Ändra storlek på det roterade mönstret för att maximera antalet röntgenstrålar för att lämna tvärsnittsytan.Använd en hög ström för att skapa ett vanligt tvärsnitt som bara är tillräckligt stort för att avslöja funktionen av intresse och använd jonstrålen vid 30 kilovolt och strömmen av intresse för att få ögonblicksbild av provytan. Identifiera funktionen av intresse och slutför placeringen av grävningen. Skytten bör sträcka sig förbi vardera sidan av funktionen av intresse med några mikron.Bekräfta att det finns en mikrometer material mellan dikets kant och önskat slutligt tvärsnitt och använd fräsapplikationen för att ställa in Z-djupet till två mikrometer, pausa regelbundet fräsningsprocessen för att avbilda tvärsnittet med elektronstrålen efter behov. När grävningen är mycket djupare än funktionen av intresse, notera hur mycket tid som behövs för att skapa den grova grävningen för att styra djupet. För att skapa ett slutligt, rent tvärsnitt, sänk jonstråleströmmen till cirka 0,92 nanoampere och avbilda provytan.Efter att ha verifierat platsen för funktionen av intresse, använd den fokuserade jonstråleprogramvaran för att rita ett rengöringstvärsnitt och överlappa rengöringsfönstret med det färdiga diket med minst en mikrometer för att mildra återavsättningen. Använd sedan den tid som behövs för att skapa diket för att ställa in Z-djupvärdet. För EDX-kartläggning, välj lämpliga strålförhållanden för provet och orientera provet för att maximera röntgenantalet.Sätt i EDX-detektorn och ställ in lämplig processtid. I detektorprogramvaran öppnar du mikroskopinställningen och startar elektronstrålebilden. Klicka på Hit Record för att mäta räkningsfrekvensen och dödtiden.Om dödtiden behöver justeras ändrar du EDX-tidskonstanten. När detektorförhållandena har fastställts samlar du in elektronstrålebilden och öppnar Image Setup för att välja bitdjup och bildupplösning. Välj röntgenkartans upplösning, spektrumområde, antal kanaler och kartans uppehållstid.Energiområdet kan vara lika lågt som den strålenergi som används. Välj sedan det område som ska kartläggas i EDX-programvaran. När kartan är klar sparar du kartan som en datakub.Dessa bilder av bar litiumfolie fräst vid 25 och minus 165 grader Celsius belyser hur kylning till kryogena temperaturer kan hjälpa till att bevara prover under fokuserad jonstrålefräsning. För EDX-experiment bör den fokuserade jonstrålefräsningsgeometrin optimeras och EDX-detektorns position bör beaktas. Här kan skillnaden mellan ett väl- och ett dåligt förberett kryo-immobiliserat prov, båda med litiummetallbatteriet som exempel, observeras.Även om båda proverna nominellt framställdes enligt samma procedur, resulterade en kort exponering för luft sannolikt i de ytreaktioner som observerades i det dåligt beredda provet. Kartläggning av en litiumavlagring i 1, 3-dioxilan, 1, 2-dimetoxietan med icke-optimala förhållanden resulterar i kontrastvariationer, sannolikt en indikation på ett initialt välbevarat gränssnitt som går förlorat på grund av strålningsskador under kartläggningen. Däremot utfördes denna karta över dött litium inbäddat i förglasad elektrolyt och litiumsubstratet under vid två kilovolt och 0,84 nanoamps, vilket bevarade provytans morfologi.Även om vissa skador fortfarande är synliga efter kartläggningen minskar skadans omfattning avsevärt. I denna analys användes EDX-kartläggning för att lokalisera järnoxidnanopartiklar odlade i en kiseldioxidhydrogel. Stora genomsökningar av synfält gjorde det möjligt att identifiera intressanta regioner, medan mer lokaliserade genomsökningar användes för platsspecifik fräsning.Provladdning kan vara skadlig för framgången med denna procedur. Kom ihåg att sänka strålströmmar och uppehållstider efter behov för att begränsa effekterna av laddning. Därefter kan en kryo-FIB-lyftning utföras för att förbereda en platsspecifik lamell för TEM-analys.Prover kan avbildas med sub-ångströmsupplösning och kartlägga den kemiska fördelningen med hjälp av EELS och EDX i ett TEM-instrument.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Scanning-sond Single-elektron kapacitans 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

Speciering och biotillgänglighet Mätningar av miljö Plutonium Använda 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

Resistiv Kontakta Fabrication Med hjälp av en fokuserad-ion Beam Teknik och elektrisk karakterisering för 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 Djup Analyser av lysdioder genom en kombination av röntgen Computed Tomography (CT) och ljusmikroskop (LM) korrelerad med svepelektronmikroskop (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

Omfattande karakterisering av Extended Defekter i Halvledarmaterial med en svepelektronmikroskop

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

Studera dynamiska processer av Nano stora objekt i Liquid använder Scanning transmissionselektronmikroskopi

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 Fräsning av Nanorör skogar Använda Lågtrycks Svepelektronmikroskopi

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 metod för<em&gt; I situ</em&gt; Elektromekanisk karaktärisering av nanoskalaprover

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

Fokuserad Ion Beam tillverkning av LiPON-baserade SSD Lithium-ion Nanobatteries för In Situ testning

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

Ensiffriga Nanometer elektronstråle litografi med en Aberration-korrigerade skanning transmissionselektronmikroskop

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