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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Förbered provet och överför till SEM-kammaren

1. Ställ in mikroskopet
   1. För system som konverterar mellan rumstemperatur och kryogen utrustning, installera kryo-SEM-steget och antikontamineraren enligt utrustningstillverkarens instruktioner och evakuera SEM-kammaren.
   2. 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 system för att säkerställa jämn beläggning av provytan. På FIB som används här görs detta genom att lossa en inställd skruv på sidan av GIS-källan och vrida kragen 3 varv medurs.
   3. Ställ in GIS-temperaturen på 28 °C, öppna slutaren och ventilera i 30 s vid denna temperatur för att rensa bort överflödigt material. Gör detta vid rumstemperatur, eftersom den organometalliska kommer att belägga någon kall yta.
   4. Flytta scenen till rätt läge för lastning av provskytteln från beredningskammaren till SEM (detta varierar beroende på system).
   5. Låt SEM-kammaren evakuera i minst 8 timmar för att skapa ett tillräckligt lågt vakuum (vanligtvis cirka 4E-6 Torr) för att minimera isförorening under experimentet.
2. Ställ in den kryogena beredningsstationen
   1. Evakuera de vakuumisolerade ledningarna i 8 timmar före användning.
   2. Innan du kyler mikroskopet, flöda torr kvävgas genom gasledningarna i ca 15 min. Detta bör göras vid cirka 5 l/min, eller systemets maximala flödeshastighet. Detta spolar ut fukt ur systemet för att mildra isbildningen i ledningarna vid kylning, vilket kan hindra gasflödet.
   3. Medan du fortfarande strömmar gas med maximal flödeshastighet, stäng av ventilen för de vakuumisolerade ledningarna och överför sedan värmeväxlaren till flytande kväve Dewar.
   4. Ställ in temperaturen på SEM- och förberedelsestegen till -175 °C och temperaturen på antikontaminerarna till -192 °C. Vänta tills alla element har nått den inställda temperaturen för att fortsätta.
3. Förglasa provet.
   1. Fyll kväve dubbel pott slusher. Börja med att fylla krukans huvudvolym och fyll sedan volymen som omger den för att minska kvävebubblorna. Fortsätt tillsätta mer flytande kväve till var och en efter behov tills kokningen slutar.
   2. Försegla slusheren med locket och starta slushpumpen. Fortsätt pumpa tills det flytande kvävet börjar stelna.
   3. Börja ventilera slaskpotten. För luftkänsliga material som litiumbatterier är det här en bra tid att förbereda provet för fallfrysning.
   4. När trycket är tillräckligt högt för att grytan ska kunna öppnas, ställ snabbt men försiktigt provet i kvävet och vänta åtminstone tills kokningen har upphört runt provet för att fortsätta. Ta bort alla verktyg från det flytande kvävet vid denna tidpunkt för att minska risken för isförorening.
   5. Om slaskpotten är mindre än halvfull, tillsätt mer flytande kväve.
   6. Överför provet till SEM-skytteln. Placera alla verktyg som behövs för att säkra eller överföra provet i flytande kvävekrukan och låt dem svalna helt, dvs vänta minst tills LN₂ slutar koka runt varje verktyg innan du rör vid provet eller skytteln. Utökad exponering för atmosfären, särskilt när den är fuktig, kan orsaka att iskristaller bildas i flytande kväve, så det är bäst att göra detta steg snabbt.
   7. Fäst skytteln på överföringsstången. Som med andra verktyg, förkyla stångens ände i LN₂ innan du rör vid skytteln.
   8. Pumpa på slaskpotten och titta på trycket. Lyft upp provet ur det flytande kvävet och försegla det i vakuumkammaren i överföringssystemet strax innan kvävet börjar frysa. Vanligtvis kan detta göras genom att lyfta upp skytteln när trycket är ~ 8 mbar.
   9. Överför snabbt till luftslussen i förberedelsekammaren och pumpen på överföringssystemet. Öppna överföringssystemets vakuumkammare så snart luftslusstrycket är tillräckligt lågt för att detta ska kunna göras utan mycket kraft.
   10. När förberedelsekammaren kan öppnas, överför du snabbt provskytteln till kammaren och placerar den på det kylda förberedelsesteget. Dra tillbaka överföringsstången och stäng luftslussluckan.
   11. Vid denna tidpunkt kan ett ~ 5-10 nm guld-palladiumskikt sprutas på provytan för att mildra laddningen. Typiska startvärden är 10 mA för 10 s, även om dessa parametrar bör justeras för varje system. Alternativt kan man avbilda den obelagda ytan, bedöma laddningsens omfattning och överföra tillbaka till förberedelsekammaren för att spruta päls.
   12. Öppna luftslussen igen, anslut överföringsstången och vänta 1 minut tills stångens ände har svalnat. Öppna sedan ventilen till SEM-huvudkammaren och överför provskytteln så snabbt och smidigt som möjligt till det kylda SEM-steget. Dra tillbaka överföringsstången och förvara den under vakuum för att förhindra isförorening om den behövs igen.
       VARNING: Flytande kväve kan orsaka skada om det utsätts för huden. Hantera försiktigt medan du bär lämplig personlig skyddsutrustning. Placera inte i en förseglad behållare, eftersom avdunstning kan orsaka tryckuppbyggnad.

2. Avbilda provytan och hitta funktioner

OBS: Den tid som krävs för att ställa in för att starta avbildningen är vanligtvis tillräcklig för att provet ska kunna nå termisk jämvikt på kryostadiet, särskilt om båda stegen i förberedelsekammaren och SEM-kammaren kyls till samma temperatur och överföringstiden för skytteln från ett steg till ett annat minimeras.

1. Ställ in strålparametrarna före avbildning, med början med en måttlig spänning (~ 5 kV) och måttlig ström (~ 0,4 nA). För särskilt känsliga prover kanske användarna vill minska dessa värden, och mer robusta prover kan tolerera högre spänning och ström.
2. Avbilda ytan med början vid låg förstoring (100x), fokusera och gör eventuella steg som krävs av instrumentet. Till exempel på FIB-användaren här måste det uppmätta arbetsavståndet kopplas till scenpositionen. Bedöm provet för förändringar i kontrast eller form innan du fokuserar på högre förstoringar för att minska laddningen.
3. Ta provet till ungefär eucentrisk höjd och ta en annan relativt låg förstoringsbild (100-200x).
4. Välj ett offertestområde med den förglasade vätskan och identifiera potentiella problem på grund av strålskador eller laddning. Börja avbilda vid 100x förstoring i 5 s, öka sedan förstoringen till cirka 1000x och bilden i ytterligare 5 s, minska sedan förstoringen till 100x, samla en bild och pausa strålen. Om regionen som exponeras vid hög förstoring har ändrat kontrast kan provet skada eller laddas, och användarna bör återigen överväga att justera strålparametrarna eller spruta om beläggningen. För ett mer detaljerat förfarande, se referens¹⁸.
5. Sök i exemplet efter de regioner som är av intresse. Denna process kommer att variera avsevärt beroende på prov och kan kräva viss experimentering. Egenskaper som sträcker sig betydligt över den omgivande ytan kommer sannolikt att orsaka att den förglasade vätskan höjs på samma sätt, medan andra funktioner kan döljas.
   1. Om funktionerna av intresse inte kan lokaliseras kan en EDX-karta hjälpa till. Med provet fortfarande orienterat normalt till elektronstrålen, följ EDX-kartläggningsproceduren som beskrivs i steg 4.
6. Eftersom funktioner av intresse finns, spara både låga och höga förstoringsbilder av ytan såväl som scenpositionen.
7. Upprepa för att hitta så många webbplatser som önskas.
8. Välj en region att avbilda först och justera det området till eucentrisk höjd enligt instrumentets protokoll.
9. Luta provet så att ytan är normal i riktning mot platina GIS-nålen och sätt in GIS-nålen. Värm den till 28 °C och öppna ventilen i ~2,5 min och dra sedan tillbaka källan. Detta bör producera ett enhetligt lager av ohärdad organometallisk platina, och användaren kan kort avbilda provytan för att bekräfta jämn täckning. Deponeringstiden varierar mellan instrumenten och bör justeras för att säkerställa ett jämnt lager 1-2 μm tjockt.
10. Luta provskytteln mot FIB-källan och utsätt den organometalliska platina för en 30 kV jonstråle vid 2,8 nA, 800x förstoring i 30 s. Bild med elektronstrålen för att verifiera att ytan är slät och saknar tecken på laddning.

3. Förbered tvärsnitt

1. Ta en ögonblicksbild av provytan med jonstrålen vid 30 kV och en lägre bulkfräsström (~ 2,8 nA), identifiera funktionen av intresse och mät ut tvärsnittets grova placering. Skyttegravar frästa med cirka 2,8 nA kan placeras 1 μm från det slutliga tvärsnittet och bör sträcka sig förbi vardera sidan av funktionen av intresse med några mikron. Sidofönster (se 3.2) ska placeras med en kant grovt i jämnhöjd med önskat slutligt tvärsnitt.
2. Skapa ett sidofönster för röntgenstrålar innan du fräser huvudgravarna för att minska omdepositionen.
   1. Rita ett vanligt tvärsnitt roterat 90 ° i förhållande till var diket kommer att vara. Orienteringen beror på konfigurationen av varje EDX-detektor; placera den grunda änden av denna dike mot EDX-detektorn. I instrumentprogramvaran som används här görs denna rotation genom att klicka på fliken Avancerat för mönstret och ange en rotationsvinkel, mätt moturs.
   2. Ändra storlek på det roterade mönstret för att maximera antalet röntgenstrålar för att lämna tvärsnittets yta, nominellt 10 μm kvadrat. Storleken beror på detektorgeometrin, och ofta räcker det med mindre fönster. Användare kan påskynda proceduren genom att bestämma minsta storleken på denna gräv.
3. Skapa ett vanligt tvärsnitt som bara är tillräckligt stort för att avslöja funktionen av intresse. Detta kan göras snabbt genom att använda en hög ström (~ 2,8 nA) för att skapa en dike, sänka strömmen för att städa upp, eller långsammare genom att bara arbeta med en lägre ström (~ 0,92 nA).
   1. Ta en ögonblicksbild av provytan med jonstrålen vid 30 kV och önskad ström (se Diskussion för val av ström). Identifiera funktionen av intresse och slutför placeringen av diket som görs i 3.1
      1. Grävdimensionerna varierar beroende på prov, men en typisk storlek är 25 μm x 20 μm. Båda dimensionerna måste vara tillräckligt stora för att hela funktionen av intresse ska vara synlig; x bestämmer tvärsnittets bredd, medan y begränsar hur långt ner i diket elektronstrålen kan se. Se till att det finns 1 μm material kvar mellan kanten av denna dike och önskat slutligt tvärsnitt.
   2. Ställ in z-djupet på 2 μm med fräsapplikationen inställd på kisel och börja fräsa med programvaran, men pausa regelbundet processen och avbilda tvärsnittet med elektronstrålen och återuppta sedan fräsningen efter behov.
   3. Upprepa denna process tills diket är mycket djupare än funktionen av intresse, vanligtvis 10-20 μm djup. Prover som innehåller flera material har ofta mycket varierande frästider och kan behöva mer eller mindre tid än vad djupinställningen på 1 μm kommer att uppskatta. Registrera hur lång tid som behövs för att skapa den grova diken för att styra djupet som används i 3.4.
4. Skapa ett slutligt rent tvärsnitt
   1. Sänk jonstråleströmmen till cirka 0,92 nA och ta en ögonblicksbild. Kontrollera platsen för funktionen av intresse: om steg 3.1.3 gjordes korrekt kommer det att finnas cirka 1 μm material kvar att fräsa bort.
   2. Rita ett rengöringstvärsnitt med FIB-programvaran. Överlappa detta rengöringsfönster med det färdiga diket med minst 1 μm för att mildra omplaceringen.
   3. Ställ in z-djupet med hjälp av observationerna från steg 3.3.3 för att bestämma värdet. Till exempel, om hälften av tiden användes på ett djup på 1 μm, sätt om djupet till 0,5 μm.
   4. Låt rengöringstvärsnittet löpa oavbrutet. När du är klar, avbilda det rengjorda tvärsnittet med elektronstrålen.

4. Utför EDX-mappning

1. Välj lämpliga strålförhållanden för provet (se Diskussion för mer information)
2. Orientera provet för att maximera röntgenantalet. Varje instrument kommer att ha en idealisk arbetshöjd för EDX; se till att funktionen av intresse är i denna höjd. Luta så att den infallande elektronstrålen är så nära normal till ytan av intresse som möjligt.
3. Sätt i EDX-detektorn och bestäm lämplig processtid. För högstrålekänsliga prover kan det vara nödvändigt att testa dessa förhållanden på ett offerområde i provet innan man kartlägger platsen av intresse.
   1. I detektorns programvara, gå till Microscope Setup och starta elektronstrålebilden och tryck sedan på posten. Detta kommer att mäta räkningsgraden och dödtiden.
   2. Registrera både den genomsnittliga dödtiden och räkningsgraden. Den ideala dödtiden varierar mellan detektorerna, men för Oxford X-max 80 varierar typiska värden mellan 15-25. Lägre värden ger bättre upplösning och högre värden motsvarar högre räknefrekvenser.
   3. Om dödtiden behöver justeras ändrar du EDX-tidskonstanten (kallas även processtid). En lägre processtid ger en lägre dödtid och vice versa. Upprepa tills dödtiden ligger inom önskat intervall.
   4. Bekräfta att räkningsgraden är rimlig. Lägre antal (1 000 räkningar/s och lägre) kommer att kräva längre förvärvstider, vilket ökar sannolikheten för att kartor kommer att förvrängas av provavdrift. Om räknehastigheten är för låg, överväg att öka strålströmmen och spänningen eller öka processtiden.
4. När detektorförhållandena har fastställts, samla in elektronstrålebilden.
   1. Gå till Bildinställningar och välj bitdjup och bildupplösning, vanligtvis 8 bitar och antingen 512 x 448 eller 1024 x 896.
   2. Justera bildförhållandena för EDX-programvaran. Ofta kalibreras bildförhållandena annorlunda i EDX-programvaran än i SEM: s egen programvara, och förstoring, ljusstyrka och kontrast måste justeras i enlighet därefter. I INCA trycker du på inspelningsknappen på fönstret av intresse, justerar bilden efter behov och spelar sedan in en annan bild och itererar efter behov.
5. Justera mappningsinställningen i EDX-programvaran.
   1. Välj röntgenkartans upplösning, spektrumområde, antal kanaler och kartans uppehållstid. Upplösningen på EDX-kartan måste vara lägre än elektronbilden (vanligtvis 256 x 224), och energiområdet kan vara lika lågt som den strålenergi som används. Vanligtvis används det maximala antalet kanaler och uppehållstiden är inställd på 400 μs.
   2. I EDX-programvaran väljer du det område som ska kartläggas. Detta kan göras antingen genom att välja hela synfältet eller genom att välja ett mindre område på elektronstrålebilden som kan påskynda processen.
6. Börja skaffa EDX-kartan. Låt detta pågå tills ett tillräckligt antal räkningar har samlats in (se diskussionen nedan). I fönstret med elementära kartor visas förbehandlade kartor, och om funktioner börjar suddas ut under denna process är det ett tecken på att provet antingen driver eller skadas. Överväg i så fall att stoppa kartan och använda SEM-programvaran för att bestämma problemet.
7. När kartan är klar sparar du EDX-kartan som en datakub, som är en 3D-matris med en axel för både rumsliga koordinater i bilden och en axel för energi.

Representative Results

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 komponenterna i det kryogena systemet som används här: slaskkrukan (fig. 1A) där proverna fryses, överföringssystemet (figur 1B) med en vakuumkammare för att lagra skytteln i under överföring, berednings- eller "prep" -kammaren (figur 1C,D) där proverna är sputterbelagda och själva SEM-kryogena steget (figur 1E). Figur 2 (anpassad från Zachman, et al. 2020)⁵ jämför fräsning av en bar litiumfolie vid 25 °C och -165 °C, vilket belyser hur kylning till kryogena temperaturer kan bidra till att bevara prover under FIB-fräsning. För EDX-experiment bör FIB-fräsgeometrin optimeras och EDX-detektorns position beaktas som visas schematiskt i figur 3. Figur 3A visar fräsinställningen sedd från jonstrålens riktning: Ett huvudgrav och sidofönster skapas först, med sidofönstret roterat medurs 270 grader för att producera önskad djupgradient med avseende på EDX-detektorns position. Därefter fräss ett rengöringstvärsnitt (blå ruta i figur 3A) för att skapa tvärsnittets slutliga ansikte. Sidofönstret fräss minst 1 μm förbi änden av den ursprungliga huvudgraven så att rengöringstvärsnittet åtminstone kommer att spolas med sidan av denna dike. Det frästa sidofönstret fastställer en siktlinje från varje punkt i tvärsnittet till detektorn (figur 3B).

I figur 4, figur 5 och figur 6 fokuserar vi på ett materialsystem: den initiala avsättningen av litium på ett litiumsubstrat anslutet till en strömuppsamlare av rostfritt stål i en dioxilan (DOL) / dimetoxietan (DME) elektrolyt. Först visar vi i figur 4 skillnaden mellan ett väl förberett kryo-immobiliserat prov och ett dåligt förberedt, båda med litiummetallbatteriet som exempel. Felaktig förglasning kan leda till morfologiska förändringar såväl som kristallisering, medan luftexponering orsakar isförorening. För figur 4 framställdes båda proverna nominellt enligt samma procedur, men kort exponering för luft resulterade sannolikt i ytreaktioner för provet som visas i figur 4B, möjligen på grund av ett tunnare elektrolytskikt på litiumelektrodens yta. Screening av varje prov efter laddning i kryo-FIB hjälper till att identifiera potentiella problem på grund av förglasningsprocessen. Figur 5 visar resultaten av kartläggningen av en litiumavlagring i 1,3-dioxilan/1,2-dimetoxietan (DOL/DME) med icke-optimala förhållanden (3 kV, 1,1 nA). Den mörka funktionen i mitten av tvärsnittet i figur 5A visar kontrastvariationer, sannolikt en indikation på ett initialt välbevarat gränssnitt. Mycket av den detaljen går dock förlorad på grund av strålskador under kartläggningen (figur 5B). Däremot visar figur 6 en karta över dött litium (bitar av litium som inte längre är anslutna till elektroden) inbäddad i förglasad elektrolyt och litiumsubstratet under det gjort vid 2 kV och 0,84 nA, vilket bevarade morfologin. Även om vissa skador fortfarande syns i figur 6B minskar omfattningen avsevärt.

EDX-kartläggning kan också användas för att lokalisera begravda strukturer. Figur 7 (anpassad från Zachman, 2016)¹⁹ visar användningen av EDX för att lokalisera järnoxidnanopartiklar odlade i en kiselhydrogel. Skanningar med stort synfält möjliggör identifiering av intressanta regioner (figur 7A, D), medan mer lokaliserade skanningar (figur 7B, E) kan användas för platsspecifik fräsning (figur 7C, F), i detta fall som förberedelse för en kryo-lift-out.

Standardsäkerhetsförfaranden för hantering av kryogener (nämligen flytande kväve och slaskväve) bör användas vid följande procedur, och litiummetallbatterier ska hanteras med lämplig personlig skyddsutrustning och kasseras på ett säkert sätt.

Figur 1: Komponenter i det kryogena FIB/SEM-system som används. (A) Slaskkrukan för inledande provberedning. Huvuddelen och en behållare under skumisoleringen fylls med flytande kväve, som omvandlas till slask kväve genom att minska trycket ovanför det flytande kvävet med hjälp av en vakuumpump. Proverna fryses i slaskkvävet och fästs på skytteln innan den vertikala bryggan används för att lyfta skytteln ut på överföringsarmen. (B) Insidan av överföringssystemet. En liten luftsluss håller skytteln under svagt vakuum under överföring till beredningskammaren, och själva armen (visas inte) tillåter användare att flytta provet till det kryogeniskt kylda steget. (C) En yttre vy av beredningskammaren, där prover kan sputterbeläggas före avbildning. (D) En närbild av kryosteget i beredningskammaren. E) Kryosystemet inuti SEM-kammaren, med scenen och antikontamineraren. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 2: Jämförelse av fräsning av en litiumfolie vid rumstemperatur kontra kryogen temperatur. (A) Ett tvärsnitt skapat av ett regelbundet tvärsnitt vid rumstemperatur. Tvärsnittets ansikte är inte slät och ytterligare material är närvarande. Detta är sannolikt en litium-galliumlegering som bildas under fräsning med galliumjonstrålen. (B) Ett dike som fräss med ett rengöringstvärsnitt. Ansiktet är nu rent, men omplacering i diket uttalas. (C) Samma som (A) men gjort vid -165  °C. Ansiktet saknar litium-galliumlegeringen, och återdepositionen reduceras. (D) samma som (B) men utförd vid -165  °C. Den sista grävningen och tvärsnittet är extremt rena. Tillsammans tyder detta på att galliumjonbaserade FIB-tekniker är oförenliga med litiumprover vid rumstemperatur men är kompatibla vid kryogena temperaturer. Anpassad från Zachman, 2020⁵. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 3: Installation av fräsfönster, inklusive ett sidofönster för förbättrad röntgenutbyte. (A) Ett schema som visar de viktigaste funktionerna i fräsningsprocessen (placeringarna är inte exakta). Huvudgraven och sidofönstret ritas som visar riktningen för ökande djup (indikeras både av de märkta pilarna och lutningen i skuggning), och rengöringstvärsnittet (blått) visas överlappande delvis med huvudgraven. Sidofönstret är inriktat i förhållande till EDX-detektorns position för att möjliggöra detektering av röntgenstrålar som genereras från hela tvärsnittet. (B) En skiss som visar fördelen med sidofönstret. När elektronsonden skannar tvärsnittet exciterar elektroner röntgenstrålar, som mäts av EDX-detektorn. Utan ett sidofönster skulle skuggeffekter orsaka att delar av tvärsnittet (som längst ner till höger här) verkar mörka. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 4: Resultat av felaktig förglasning och överföring. (A) Ett välbevarat litiumprov med en DOL/DME-elektrolyt. Medan avlagringar orsakar vissa tredimensionella variationer är den kryo-immobiliserade elektrolyten i allmänhet slät och enhetlig. (B) Ett representativt resultat av ett mindre välbevarat urval av samma system. Ytan är mycket grovare och avlagringar är inte helt täckta av elektrolyt, vilket tyder på att provreaktioner kan ha inträffat på grund av långvarig luftexponering under beredningen. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 5: EDX-kartläggning av ett litiummetallbatteri med minskad skuggning, men betydande skador. (A) Elektronstrålebilden före EDX-kartläggning vid 3 kV och 1,1 nA. (B) Bilden efter kartläggningen, som visar skador på mindre konstruktioner. (C) Elektronbilden som motsvarar det kartlagda området. (D) K-α grundkarta med röda linjer som anger skuggningen. Inom sidofönstret finns det betydande skuggning som annars skulle dölja tvärsnittets ansikte. Sidofönstret var inte perfekt inriktat och sträcker sig något förbi tvärsnittets ansikte, vilket resulterar i den begränsade skuggningen som syns i denna region. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 6: EDX-kartläggning av dött litium i ett litiummetallbatteri med minimal skada och skuggning. (A) Elektronstrålebilden före EDX-kartläggning vid 2 kV och 0,84 nA med asterisker som markerar det döda litiumet. (B) Bilden efter kartläggningen, som visar mycket liten skada på grund av mer optimerade strålförhållanden. (C) Elektronbilden som motsvarar det kartlagda området. (D) Kol K-α elementär karta med röd linje som indikerar mindre skuggningseffekter. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 7: EDX-kartläggning för att identifiera begravda egenskaper av intresse. (A) SEM-bild av en kiseldioxidhydrogel med inbäddade järnoxidnanopartiklar. (B) En liknande bild inspelad vid högre förstoring. (C) En SEM-bild av två skyttegravar centrerade på en järnoxidnanopartikel, skapad som förberedelse för kryo-lyft-ut ur en TEM-lamell. (D,E) EDX-kartorna motsvarar (A, B). Vid högre förstoring (E) är det möjligt att tydligt skilja flera järnrika partiklar i provet. Genom att jämföra med (B) är det möjligt att bestämma att en partikel är inbäddad (indikerad med en pil) i hydrogelen, medan andra inte är det. (F) EDX-kartan över (C), som tydligt visar att skyttegravarna är centrerade på funktionen av intresse. Anpassad från Zachman, 2016¹⁹. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Discussion

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 Leidenfrost-effekten och accelererar kylningen jämfört med flytande kväve ^8,23,24. Vi noterar också att jämfört med vattenhaltiga lösningar kräver många organiska vätskor betydligt lägre kylhastigheter för förglasning^25,26, vilket är fördelaktigt för frysning av tjockare organiska elektrolytskikt. Andra kryogener som flytande etan eller propan används ofta i andra områden⁸, men organiska kryogener kan lösa upp organiska elektrolyter som kan ge upphov till artefakter^23,24. Slush kväve interagerar inte med organiska vätskor och är därför den kryogen som valts här. För att säkerställa snabb kylning är det också viktigt att eliminera främmande massa från provet under fallande för att minska värmekapaciteten. Vissa prover (t.ex. litiummetallanoder) kan behöva fästas på en hållare som en aluminiumstubb för stöd under störtning, men om möjligt är det bättre att fästa provet på hållaren under flytande kväve efter att det är ordentligt fryst. Slutligen gör de kryogena temperaturerna provet benäget för isförorening. Därför är det viktigt att provet hålls under vakuum under överföring från slaskkrukan till förberedelsekammaren.

Provladdning och strålskador kan vara en betydande utmaning även vid drift vid kryogena temperaturer, vilket kräver skyddande beläggningar och noggrant urval av strålparametrar. De primära metoderna för att minska dessa effekter i denna procedur fokuserar på att minska strålspänningen och tillhandahålla vägar för ackumulerad laddning att spridas. Att minska strålspänningen utgör en kompromiss: medan lägre spänningar vanligtvis minskar laddningsackumuleringen, djupet på strålskador och värmen som överförs till provet^16,17, minskar de också räkningshastigheterna för EDX och bildupplösningen¹⁸. Det rekommenderas därför att bestämma effekten av varje tillgänglig spänning och använda den högsta spänningen som inte skadar provet. För att sprida laddningen beläggs provet initialt med ett tunt (5-10 nm) ledande skikt, såsom guldpalladium och sedan ett lager platina ungefär en mikron tjockt. FIB-system använder vanligtvis en organometallisk platinagas för att transportera platina till provets yta. Under kryogena förhållanden kondenserar denna prekursor på den kalla provytan för att bilda en icke-ledande platinainnehållande organisk förening²⁷. En härdningsprocess under vilken skiktet utsätts för jonstrålen frigör sedan den organiska komponenten, vilket gör att ett ledande platinaskikt kan bildas. Detta steg är avgörande för högkvalitativa resultat eftersom platina både sprider laddning och mildrar galliumimplantation^13,27. Att orientera provet så att ytan är normal för GIS-källan är det bästa sättet att få ett kontinuerligt lager, och den exakta positionen måste justeras för varje system. Slutligen måste provet ha en kontinuerlig ledande väg till jord för att överskottsladdning ska kunna spridas, tillhandahållen av en jordningstråd ansluten till scenen. Förutom denna jordningstråd måste själva provet ha god ledningsförmåga mot skytteln för att laddningen ska kunna spridas.

Förfarandet för beredning av tvärsnitt modifieras endast något från standardmetoden för FIB-arbete vid rumstemperatur¹⁷. Den primära modifieringen är tillägget av ett sidofönster för att tillåta fler röntgenstrålar att fly från diket. Utan detta fönster kommer ena sidan av diket att producera en skugga över tvärsnittets ansikte i EDX-kartor. Även om man kan se till att skuggan inte döljer funktionen av intresse genom att helt enkelt förlänga ena sidan av diket, skulle det ta längre tid än den metod som beskrivs här. Att använda ett regelbundet tvärsnitt roterat 90 grader i förhållande till huvudgraven skapar en direkt väg från varje punkt i tvärsnittet till röntgendetektorn samtidigt som minsta mängd material avlägsnas. Användare bör överväga röntgendetektorns orientering i FIB-kammaren och placera sidofönstret i enlighet därav. Den andra stora modifieringen är användningen av lägre fräsströmmar för att bevara gränssnittet. Vid rumstemperatur är det vanligt att använda högre jonstråleströmmar (~ 9,3 nA) för att fräsa bort majoriteten av dikena och sedan minska strömmen för att fräsa ett mindre fönster innan du rengör¹⁷. Här rekommenderas att de högre strömmarna används med försiktighet, eftersom det skadar många förglasade prover.

En stor begränsning av EDX-kartläggningen i kryo-FIB är det stora antalet räkningar som krävs i förhållande till de räknehastigheter som kan uppnås under typiska förhållanden. Statistiskt signifikanta kartor kräver över 100 räkningar per pixel, eller i storleksordningen 6 miljoner räkningar för en 256 x 256 karta¹⁷. Med tanke på att strålförhållandena som är lämpliga för kryogena prover ofta ger räkningshastigheter så låga som 1000 räkningar per sekund, kan användarna förvänta sig att kartor tar var som helst från flera minuter till en timme. Den här gången minskar inte bara genomströmningen utan ökar också känsligheten för provdrift, vilket begränsar kartornas kvalitet. Det är därför värt att optimera räkningshastigheten. Det första steget i att göra det är att se till att provet har optimal arbetshöjd för detektorn i det system som används. Därefter bör strålparametrarna balanseras för att maximera röntgenutbytet utan att skada provet. Inom det intervall av strålspänningar som beaktas här (2-5 keV) kommer räkningshastigheten att öka med både strålspänning och ström¹⁷, och de högsta värdena som inte kommer att ge betydande skador eller laddning bör användas. Provet begränsar emellertid ofta strålförhållandena avsevärt, och det blir ännu viktigare att optimera EDX-detektorns förhållanden. Den primära parametern som måste justeras är känd som "processtid" i Oxford Inca-programvaran (även känd som en "tidskonstant") och dess effekt på detektorns så kallade dödtid¹⁷. Dödtiden är en enkel parameter, definierad som:

,

där ingångsräkningshastigheten avser antalet elektroner som inträffar på detektorn, och utgångsräkningshastigheten avser det tal som detektorn räknar som signal¹⁷. Processtiden är en komplex parameter som representerar den tid som används för att medelvärdet av den inkommande signalen. Längre processtider representerar mer tid i genomsnitt signalen, och därför kommer en högre processtid att leda till en högre dödtid. En låg dödtid representerar majoriteten av röntgenstrålarna som ingår, och för denna applikation är det önskvärt, men det kommer på bekostnad av upplösning¹⁷. Vanligtvis justeras processtiden för att ge en dödtid mellan 15 och 20%, men vid lägre spänningar och strömmar kanske det inte är möjligt att avsevärt förbättra dödtiden.

Kryogen FIB / SEM med EDX ger ett av få sätt att undersöka både kemi och morfologi för ett intakt fast-flytande gränssnitt. Metoder som Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman Spectroscopy och XPS används ofta för att utforska kemi av batterier, men saknar rumslig upplösning som tillhandahålls av EDX-kartläggning². XPS är vanligtvis en destruktiv teknik, men kryogena temperaturer har också använts för att bevara intakta fast-flytande gränssnitt under XPS-analys²⁸. Morfologi karakteriseras ofta med SEM, ljusmikroskopi, atomic force microscopy (AFM) och scanningsondmikroskopi (SPM)². Cryo-TEM / STEM har visat överlägsen rumslig upplösning 4,9,11,21,22 med mer informationsrik kemisk kartläggning som tillhandahålls av EELS⁴ men är en teknik med låg genomströmning. Proverna måste vara restriktivt tunna, vilket kräver antingen mycket specifik provdesign (t.ex. litium som odlas på ett TEM-rutnät ^9,11,21,22) eller framställts från ett makroskopiskt prov med kryo-FIB-lyft ^4,19. Nyligen beskrev Schreiber, et ^al.13 att använda kryo-FIB-metoder för att förbereda intakta fasta vätskegränssnitt för studier via atomsondtomografi. Denna procedur är dock relativt låg genomströmning och tittar övervägande på^{nanoskalan 13,14}, vilket gör att dess tillämpningar skiljer sig från cryo-SEM EDX-kartläggning.

Trots de anmärkningsvärda fördelarna med denna metod är det inte utan begränsningar. Som diskuterats tidigare måste mycket försiktighet vidtas för att förhindra skador på provet under EDX-kartläggning, och en liten mängd skador kan visa sig oundvikliga. Den specifika utrustning som används vid utvecklingen av detta arbete har egna begränsningar. Även om detektion av litium med EDX är möjligt²⁸, kräver det användning av en detektor speciellt optimerad för röntgenstrålar med låg energi som inte gjordes i detta arbete. Känsligare detektor kommer också att förbättra röntgeninsamlingseffektiviteten och därmed minska den nödvändiga elektrondosen för EDX-kartläggning. Därefter är tekniken inte omedelbart kompatibel med alla provgeometrier. Till exempel tenderar vissa batteriprover att ha ett tjockt elektrolytskikt (30-100 μm) vid frysning vilket kommer att kräva opraktiskt långa fräsningstider vid användning av en vanlig galliumjon FIB. Ofta kan små ändringar göras för att övervinna denna begränsning. Vi har funnit att elektrolyttjockleken kan minskas genom att byta från en O-ringseparator till en membranavskiljare. Effekterna av sådana ändringar kommer dock att variera mellan proverna och bör göras med noggrant övervägande. Slutligen är kvorumkryogenstadiet en tidig modell som saknar rotation kring den vertikala axeln, vilket begränsar observationerna till en viss orientering. Att möjliggöra stegrotation samtidigt som en kryogen provtemperatur bibehålls skulle förbättra användarvänligheten men det är osannolikt att avsevärt förbättra resultatens kvalitet eller utöka teknikens omfattning.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
INCA EDS	Oxford instruments		Control software for X-max 80
PP3010T Cryo-preparation system	Quorum Technologies, Inc.		FIB/SEM cryogenic preparation system. Includes pumping station, transfer rod system, preparation (prep) chamber, cryogenic stages, sample shuttles
Strata 400 DualBeam System	FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)		Dual beam FIB/SEM
X-Max 80	Oxford Instruments		80mm2 EDX detector
xT Microscope Control	FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)		Software for controlling FEI Strata