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

Araştırmamız için örnekler sağlayan Shuang-Yan Lang ve Héctor D. Abruña'nın katkılarını büyük ölçüde kabul ediyoruz. Bu çalışma Ulusal Bilim Vakfı (NSF) (DMR-1654596) tarafından desteklenmiş ve DMR-1719875 Ödül Numarası altında NSF tarafından desteklenen Cornell Malzeme Araştırma Tesisleri Merkezi'nden yararlanılmıştır.

1. Numuneyi hazırlayın ve SEM odasına aktarın
<ol><li>Mikroskopu ayarlama<ol>
<li>Oda sıcaklığı ile kriyojenik ekipman arasında dönüşüm yapan sistemler için, kriyo-SEM aşamasını ve antikontaminatörü ekipman üreticisinin talimatlarına göre takın ve SEM odasını boşaltın.</li>
		<li>Gaz enjeksiyon sistemi (GIS) platin kaynağını, yerleştirildiğinde tipik oda sıcaklığı deneylerine kıyasla numune yüzeyinden yaklaşık 5 mm daha uzağa oturacak şekilde ayarlayın. Bu konumun, numune yüz...

<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>

Burada anlatılan kriyojenik hazırlama yöntemi önemlidir ve kimya ve morfolojinin korunması için doğru yapılması gerekir8. En önemli endişe, numunenin hızlı bir şekilde dondurulmasıdır, çünkü sıvının vitrifiye edilmesine izin veren şey budur8. Numune çok yavaş soğursa, sıvılar kristalleşerek morfolojide bir değişikliğe neden olabilir6. Kristalleşmeyi önlemek için, Leidenfrost etkisini azalttığı ve sıvı azot<sup ...

Katı maddeler ve sıvılar arasındaki arayüzler, piller, yakıt hücreleri ve süper kapasitörler gibi enerji malzemelerinin işlevinde hayati bir rol oynar 1,2,3. Bu arayüzlerin kimyasını ve morfolojisini karakterize etmek, işlevsel cihazların iyileştirilmesinde merkezi bir rol oynayabilirken, bunu yapmak önemli bir zorluk ortaya çıkarmıştır 1,3,4. Sıvılar, x-ışını fotoemisyon spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve iletim elektron mikroskobu2 gibi birçok yaygın karakterizasyon tekniği için gereken yüksek vakum ortamlarıyla uyumlu değildir. Tarihsel olarak, çözüm sıvıyı cihazdan uzaklaştırmak olmuştur, ancak bu,arayüz 2,4'teki hassas yapılara potansiyel olarak zarar verme veya morfoloji3'ü değiştirme pahasına gelir. Pillerde, özellikle de yüksek oranda reaktif alkali metaller kullananlarda, bu fiziksel hasar, havaya maruz kaldığında kimyasal bozulma ile birleşir5.
Bu yazıda kriyo-SEM ve odaklanmış iyon demeti (FIB), katı-sıvı arayüzlerinin korunması ve karakterize edilmesi için bir yöntem olarak tanımlanmıştır. Benzer yöntemlerin biyolojik örneklerdeki hücrelerin yapısını koruduğu gösterilmiştir 6,7,8, enerji cihazları 5,9,10,11,12 ve nano ölçekli korozyon reaksiyonları 13,14,15 . Tekniğin püf noktası, numuneyi, kriyojenik olarak soğutulmuş bir aşamaya yerleştirildiği mikroskopa transfer etmeden önce rüşvet azotuna daldırma dondurma yoluyla vitrifiye etmektir. Vitrifikasyon, kristalleşme6,8 ile ilişkili yapısal deformasyonları önlerken, mikroskop vakumundaki sıvıyı stabilize eder. Mikroskopa girdikten sonra, çift ışınlı bir sistem, elektron ışını ile nano ölçekli görüntülemeye ve odaklanmış iyon ışını ile kesitlerin hazırlanmasına izin verir. Son olarak, kimyasal karakterizasyon Enerji Dağıtıcı X-ışını (EDX) haritalaması ile etkinleştirilir. Toplamda, kriyo-SEM / FIB, katı-sıvı arayüzünün doğal yapısını koruyabilir, enine kesitler oluşturabilir ve hem kimyasal hem de morfolojik karakterizasyon sağlayabilir.
Kriyo-SEM ve EDX haritalaması için genel bir iş akışı sağlamanın yanı sıra, bu makalede frezeleme ve görüntülemeden kaynaklanan eserleri azaltmak için bir dizi yöntem açıklanacaktır. Genellikle vitrifiye sıvılar hassas ve yalıtkandır, bu da onları şarja ve ışın hasarına eğilimli hale getirir8. Oda sıcaklığında16,17,18 numunelerde bu istenmeyen etkileri azaltmak için bir dizi teknik oluşturulmuş olsa da, bazıları kriyojenik uygulamalar için modifiye edilmiştir. Özellikle, bu prosedür, önce bir altın-paladyum alaşımı olan iletken kaplamaların uygulanmasını ve ardından daha kalın bir platin tabakasının uygulanmasını detaylandırır. Ek olarak, kullanıcıların meydana geldiğinde şarjı tanımlamasına ve şarj birikimini azaltmak için elektron ışını koşullarını ayarlamasına yardımcı olacak talimatlar sağlanmıştır. Son olarak, ışın hasarının şarj ile ortak birçok özelliği olmasına rağmen, ikisi birbirinden bağımsız olarak gerçekleşebilir16 ve en muhtemel adımlar sırasında ışın hasarını en aza indirmek için kılavuzlar sağlanmıştır.
Çift ışınlı SEM / FIB, kriyojenik çalışma için uyarlanmış tek elektron mikroskobu aracı olmasa da, bu çalışma için özellikle uygundur. Genellikle bir pil gibi gerçekçi cihazlar birkaç santimetre boyutundayken, ilgilenilen özelliklerin çoğu mikron ila nanometre mertebesindedir ve en anlamlı bilgiler 4,5,19 arayüzünün enine kesitinde bulunabilir. Elektron Enerji Kaybı Spektroskopisi (EELS) ile birlikte Taramalı İletim Elektron Mikroskobu (STEM) gibi teknikler, atomik ölçeğe kadar görüntüleme ve kimyasal haritalamayı mümkün kılsa da, numuneyi elektron şeffaf olacak kadar ince hale getirmek için kapsamlı bir hazırlık gerektirirve verimi önemli ölçüde sınırlar 3,4,19,20,21,22 . Cryo-SEM, aksine, onlarca nanometrelik daha düşük bir çözünürlükte olsa da, bir lityum metal pil madeni para hücresinin anodu gibi makroskopik cihazlardaki arayüzlerin hızlı bir şekilde araştırılmasına izin verir. İdeal olarak, her iki tekniğin avantajlarından yararlanan birleşik bir yaklaşım uygulanır. Burada, daha yüksek verimli kriyojenik FIB / SEM tekniklerine odaklanıyoruz.
Lityum metal piller bu çalışma için birincil test vakası olarak kullanıldı ve kriyo-SEM tekniklerinin geniş yararlılığını gösteriyorlar: 4,5,9,10,11,12 bilimsel açıdan hassas yapılara sahipler, EDX2 ile ortaya çıkarılacak çok çeşitli kimyaya sahipler ve reaktif lityum 5'i korumak için kriyojenik teknikler gerekiyor, 21. Özellikle, dendritler olarak bilinen düzensiz lityum birikintileri ve sıvı elektrolit ile arayüzler korunur ve EDX 4,5,12 ile görüntülenebilir ve eşlenebilir. Ek olarak, lityum tipik olarak hazırlama sırasında oksitlenir ve öğütme sırasında galyumlu bir alaşım oluşturur, ancak korunmuş elektrolit oksidasyonu önler ve kriyojenik sıcaklıklar galyum5 ile reaksiyonları azaltır. Diğer birçok sistem (özellikle enerji cihazları) benzer şekilde hassas yapılara, karmaşık kimyasallara ve reaktif malzemelere sahiptir, bu nedenle kriyo-SEM'in lityum metal pillerin incelenmesindeki başarısı, diğer malzemeler için de uygun olduğunun umut verici bir göstergesi olarak kabul edilebilir.
Protokol, Malzeme Tablosunda ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, kriyojenik bir aşama, bir kriyojenik hazırlama odası ve bir kriyojenik transfer sistemi ile donatılmış çift ışınlı bir FIB / SEM sistemi kullanır. Kriyo-immobilize numuneleri hazırlamak için, istasyondaki bir vakum odasında oturan köpük yalıtımlı bir tencere olan "rüşvet kabı" olan bir iş istasyonu vardır. Köpük yalıtımlı çift hazneli slusher, birincisini çevreleyen ve tencerenin ana kısmında kaynamayı azaltan bir birincil azot odası ve ikincil bir oda içerir. Azotla doldurulduktan sonra, tencerenin üzerine bir kapak yerleştirilir ve tüm sistem rüşvet azotu oluşturmak için boşaltılabilir. Vakum altındaki numuneyi mikroskopun preparasyonuna veya "hazırlama" odasına aktarmak için küçük bir vakum odasına sahip bir transfer sistemi kullanılır. Hazırlık odasında numune -175 °C'de tutulabilir ve altın-paladyum alaşımı gibi iletken bir tabaka ile püskürtülebilir. Hem hazırlık odası hem de SEM odası, numuneyi tutmak için kriyojenik olarak soğutulmuş bir aşamaya ve kirleticileri adsorbe etmek ve numune üzerinde buz birikmesini önlemek için bir antikontaminane sahiptir. Tüm sistem, sıvı azota batırılmış bir ısı eşanjöründen ve daha sonra sistemin iki kriyo-aşaması ve iki antikontaminantından akan azot gazı ile soğutulur.

<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

Katı-sıvı arayüzlerindeki fiziksel ve kimyasal prosesler, kataliz, güneş enerjisi ve yakıt üretimi ve elektrokimyasal enerji depolaması dahil olmak üzere birçok doğal ve teknolojik olayda çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu tür arayüzlerin nano ölçekli karakterizasyonu son zamanlarda kriyojenik elektron mikroskobu kullanılarak elde edilmiştir, böylece arayüz süreçleri hakkındaki temel anlayışımızı ilerletmek için yeni bir yol sağlamıştır.
Bu katkı, entegre bir kriyojenik elektron mikroskobu yaklaşımı kullanarak malzeme ve cihazlardaki katı-sıvı arayüzlerinin yapısını ve kimyasını haritalamak için pratik bir kılavuz sağlar. Bu yaklaşımda, katı-sıvı arayüzlerinin stabilizasyonuna izin veren kriyojenik numune hazırlamayı, kriyojenik odaklı iyon demeti (kriyo-FIB) frezeleme ile eşleştirerek bu karmaşık gömülü yapılar boyunca kesitler oluşturuyoruz. Çift ışınlı FIB / SEM'de gerçekleştirilen kriyojenik taramalı elektron mikroskobu (kriyo-SEM) teknikleri, nano ölçekte kimyasal haritalamanın yanı sıra doğrudan görüntülemeyi de mümkün kılar. Pratik zorlukları, bunların üstesinden gelmek için stratejileri ve en iyi sonuçları elde etmek için protokolleri tartışıyoruz. Tartışmamızda enerji depolama cihazlarındaki arayüzlere odaklanırken, özetlenen yöntemler katı-sıvı arayüzünün önemli bir rol oynadığı bir dizi alana geniş ölçüde uygulanabilir.

Bu yöntem, ticari olarak temin edilebilen kriyojenik aşama, antikontaminant ve hazırlama odası ile donatılmış çift FIB / SEM sistemi üzerinde geliştirilmiştir. Ayrıntılar için malzeme tablosuna bakın. Bu yöntemi öncelikle bir dizi farklı elektrolit içeren lityum metal piller üzerinde test ettik, ancak yöntem, EDX haritalaması sırasında uygulanan doz miktarına dayanacak herhangi bir katı-sıvı arayüzüne uygulanabilir.
Şekil 1, burada k...

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

Kriyojenik Odaklı İyon Işını (FIB) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) teknikleri, bozulmamış katı-sıvı arayüzlerinin kimyası ve morfolojisi hakkında önemli bilgiler sağlayabilir. Bu tür arayüzlerin yüksek kaliteli Enerji Dağıtıcı X-ışını (EDX) spektroskopik haritalarını hazırlama yöntemleri, enerji depolama cihazlarına odaklanarak detaylandırılmıştır.

Kriyo-Odaklı İyon Işını Frezelemeyi Taramalı Elektron Mikroskobu ve Spektroskopi ile Birleştirerek Sıvı-Katı Arayüzlerinin Nano Ölçekli Karakterizasyonu

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

Kriyo-SEM ve FIB yöntemi, numunelerin doğal yapısını korurken katı-sıvı arayüzlerini ve biyolojik numuneleri incelemek için kullanılabilir. Bu tekniğin temel avantajı, kriyo-SEM'in kullanıcının onlarca nanometre çözünürlüğe sahip madeni para hücresi pil elektrotları gibi makroskopik cihazların arayüzünü hızlı bir şekilde incelemesine izin vermesidir. Bir kriyo-SEM aşaması ve bir antikontaminant takarak başlayın.SEM odasını boşaltın ve gaz enjeksiyon sistemini, CBS'yi, platin kaynağını ayarlayın, böylece yerleştirildiğinde, kaynak numune yüzeyinden yaklaşık beş milimetre uzağa oturacaktır. CBS sıcaklığını 28 santigrat dereceye ayarlayın ve fazla malzemeyi temizlemek için sistemi 30 saniye boyunca havalandırmak için deklanşörü açın. Ardından, SEM odasının en az sekiz saat boyunca tahliye edilmesine izin verin.Tahliye süresinin sonunda, mikroskop ve hazırlık aşamalarını eksi 175 santigrat dereceye ayarlayın ve antikontaminatörü eksi 192 santigrat dereceye ayarlayın. Numuneyi vitrifiye etmek için, azot çift hazneli slusher'ın ana hacmini ve çevresindeki hacmi, sıvı azot köpürmeyi durdurana kadar sırayla sıvı azotla doldurun. Doldurulmuş slusher'ı kapakla kapatın ve rüşvet pompasını başlatın.Sıvı azot katılaşmaya başladığında, rüşvet kabını havalandırmaya başlayın. Basınç, tencerenin açılmasına izin verecek kadar yüksek olduğunda, numuneyi azotun içine hızlı ama nazik bir şekilde yerleştirin. Numunenin etrafında kaynama durduğunda, azot donmaya başlamadan hemen önce numuneyi önceden soğutulmuş bir SEM mekiğinin vakum odasına aktarmak için önceden soğutulmuş bir transfer çubuğu kullanın.Mekiği hızlı bir şekilde hazırlık odasının hava kilidine aktarın ve transfer sistemi üzerindeki pompayı pompalayın. İstenirse, şarjı azaltmak için numune yüzeyine beş ila 10 nanometre altın-paladyum tabakası püskürtün. Ardından, numune mekiğini soğutulmuş mikroskop aşamasına mümkün olduğunca hızlı ve sorunsuz bir şekilde aktarın.Örnek yüzey görüntüleme için, önce numuneyi 100 X büyütmede görüntüleyin. Ardından, numuneyi yaklaşık ösentrik bir yüksekliğe getirin ve ikinci bir düşük büyütmeli görüntü elde edin. Vitrifiye sıvı içinde bir kurban test bölgesi seçin ve ışın hasarı veya şarj nedeniyle mevcut olabilecek olası sorunları belirleyin.İlgilenilen bölgeler için örnekte arama yapın. Bir bölge tanımlandığında, numuneyi, yüzey platin CBS iğnesinin yönüne normal olacak şekilde eğin ve CBS iğnesini yerleştirin. Yüzeyi 28 santigrat dereceye ısıtın ve kaynağı geri çekmeden önce valfi yaklaşık 2,5 dakika açın.Örnek mekiği odaklanmış iyon ışını kaynağına doğru eğin ve organo-metalik platini 2.8 nanoamperde 30 kilovoltluk bir iyon ışınına ve 30 saniye boyunca 800 X büyütmeye maruz bırakın. Ardından, yüzeyin pürüzsüz olduğunu ve herhangi bir şarj belirtisinden yoksun olduğunu doğrulamak için numune yüzeyini elektron ışını ile görüntüleyin. Bir kesit hazırlamak için, önce 30 kilovoltta iyon ışını ve numune yüzeyinin anlık görüntüsünü elde etmek için yaklaşık 2.8 nanoamperlik daha düşük bir dökme öğütme akımı kullanın.İlgilenilen özelliği tanımlayın ve kesitin kabaca yerleştirilmesini ölçün. X-ışınları için bir yan pencere oluşturmak için, açmanın yapılacağı yere göre 90 derece döndürülmüş düzenli bir kesit çizin ve yan pencereyi bir kenarı kabaca istenen son kesitle aynı hizada olacak şekilde yerleştirin. Enine kesit yüzeyinden çıkacak x-ışınlarının sayısını en üst düzeye çıkarmak için döndürülmüş deseni yeniden boyutlandırın.İlgilenilen özelliği ortaya çıkaracak kadar büyük düzenli bir kesit oluşturmak için yüksek bir akım kullanın ve numune yüzeyinin anlık görüntüsünü elde etmek için 30 kilovolttaki iyon ışınını ve ilgilenilen akımı kullanın. İlgilenilen özelliği tanımlayın ve açmanın yerleşimini kesinleştirin. Açma, ilgi özelliğinin her iki tarafını da birkaç mikron kadar uzatmalıdır.Açmanın kenarı ile istenen son kesit arasında bir mikrometre malzeme olduğunu onaylayın ve Z-derinliğini iki mikrometreye ayarlamak için frezeleme uygulamasını kullanın, gerektiğinde elektron demeti ile kesiti görüntülemek için frezeleme işlemini düzenli olarak duraklatın. Siper, ilgilenilen özellikten çok daha derin olduğunda, derinliği yönlendirmek için kaba hendek oluşturmak için gereken süreyi not edin. Son, temiz bir kesit oluşturmak için, iyon ışını akımını yaklaşık 0,92 nanoampere düşürün ve numune yüzeyini görüntüleyin.İlgilenilen özelliğin konumunu doğruladıktan sonra, bir temizleme kesiti çizmek için odaklanmış iyon ışını yazılımını kullanın ve yeniden biriktirmeyi azaltmaya yardımcı olmak için temizleme penceresini önceden hazırlanmış hendekle en az bir mikrometre üst üste bindirin. Ardından, Z derinliği değerini ayarlamak üzere açmanın oluşturulması için gereken süreyi kullanın. EDX eşlemesi için, numune için uygun ışın koşullarını seçin ve x-ışını sayısını en üst düzeye çıkarmak için numuneyi yönlendirin.EDX dedektörünü takın ve uygun işlem süresini ayarlayın. Dedektör yazılımında, Mikroskop Kurulumu'nu açın ve elektron ışını görüntüsünü başlatın. Sayım oranını ve ölü zamanı ölçmek için Hit Record'u tıklayın.Ölü zamanın ayarlanması gerekiyorsa, EDX zaman sabitini değiştirin. Dedektör koşulları belirlendikten sonra, elektron ışını görüntüsünü toplayın ve bit derinliğini ve görüntü çözünürlüğünü seçmek için Görüntü Kurulumu'nu açın. X-ışını harita çözünürlüğünü, spektrum aralığını, kanal sayısını ve harita bekleme süresini seçin.Enerji aralığı, kullanılan ışın enerjisi kadar düşük olabilir. Ardından, EDX yazılımında, eşlenecek alanı seçin. Harita tamamlandığında, haritayı veri küpü olarak kaydedin.25 ve eksi 165 santigrat derecede öğütülmüş çıplak lityum folyoların bu görüntüleri, kriyojenik sıcaklıklara soğutmanın odaklanmış iyon ışını frezeleme sırasında numunelerin korunmasına nasıl yardımcı olabileceğini vurgulamaktadır. EDX deneyleri için, odaklanmış iyon ışını frezeleme geometrisi optimize edilmeli ve EDX dedektörünün konumu dikkate alınmalıdır. Burada, her ikisi de lityum metal pili örnek olarak kullanan iyi hazırlanmış ve kötü hazırlanmış kriyo-immobilize bir numune arasındaki fark gözlemlenebilir.Her iki örnek de nominal olarak aynı prosedüre göre hazırlanmış olmasına rağmen, havaya kısa bir süre maruz kalmak büyük olasılıkla kötü hazırlanmış numunede gözlemlenen yüzey reaksiyonlarına neden olmuştur. 1, 3-dioksalan, 1, 2-dimetoksietandaki bir lityum birikintisinin optimal olmayan koşullarla haritalanması, muhtemelen haritalama sırasında radyasyon hasarı nedeniyle kaybolan başlangıçta iyi korunmuş bir arayüzün göstergesi olan kontrast varyasyonlarına neden olur. Buna karşılık, vitrifiye elektrolit ve altındaki lityum substratına gömülü ölü lityumun bu haritası, örnek yüzey morfolojisini koruyarak iki kilovolt ve 0.84 nanoamperde gerçekleştirildi.Haritalamadan sonra hala bazı hasarlar görülebilse de, hasarın kapsamı önemli ölçüde azalır. Bu analizde, bir silika hidrojelde yetiştirilen demir oksit nanopartiküllerini bulmak için EDX haritalaması kullanılmıştır. Geniş görüş alanı taramaları, ilgilenilen bölgelerin tanımlanmasına olanak tanırken, sahaya özgü frezeleme için daha yerelleştirilmiş taramalar kullanıldı.Numune şarjı bu prosedürün başarısı için zararlı olabilir. Şarjın etkilerini sınırlamak için gerektiğinde ışın akımlarını ve bekleme sürelerini düşürmeyi unutmayın. Bundan sonra, TEM analizi için bölgeye özgü bir lamel hazırlamak için bir kriyo-FIB kaldırma işlemi gerçekleştirilebilir.Numuneler alt angstrom çözünürlüğünde görüntülenebilir ve bir TEM cihazında EELS ve EDX kullanılarak kimyasal dağılımı haritalandırabilir.

Research

JoVE Journal

Engineering

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

Tarama-prob Tek elektron Kapasite Spektroskopisi

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

İnce Filmlerde Difüzyon kullanma Çevre Pluton&#39;un Türleşme ve biyoyararlanımı Ölçümleri

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

Ohmik İletişim Fabrikasyon bir Odaklı iyon Işın Tekniği ve Elektriksel Karakterizasyonu Katmanı Yarıiletken Nanoyapıların için kullanma

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

(SEM) X-ışını Bilgisayarlı Tomografi (BT) ve Taramalı Elektron Mikroskobu ile İlişkili Işık Mikroskopi (LM) bir kombinasyonu ile LED&#39;lerin Derinliği Analizlerinde

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

Bir Tarama Elektron Mikroskobu tarafından Yarıiletken Malzemelerin Genişletilmiş Kusur Kapsamlı Karakterizasyonu

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

Tarama Transmisyon Elektron Mikroskobu kullanılarak Sıvı Nano-ölçekli Nesnelerin dinamik Süreçlerinin İncelenmesi

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

Alçak Basınç Taramalı Elektron Mikroskobu kullanılarak Karbon Nanotüp Ormanlar Hassas freze

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

Için yeni bir yöntem<em&gt; Yerinde</emNanoscale Örneklerinin Elektromekanik Karakterizasyonu

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

LiPON tabanlı katı hal lityum-iyon Nanobatteries in Situ test etmek için odaklı iyon kiriş imalatı

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

Tek basamaklı nanometre elektron ışını litografi bir sapma düzeltilmiş tarama transmisyon elektron mikroskobu ile

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