توصيف المقياس النانوي للواجهات السائلة الصلبة عن طريق اقتران طحن الحزمة الأيونية المركزة على التبريد مع المجهر الإلكتروني الماسح والتحليل الطيفي

يمكن استخدام طريقة cryo-SEM و FIB لدراسة الواجهات الصلبة السائلة والعينات البيولوجية مع الحفاظ على البنية الأصلية للعينات. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أن cryo-SEM يسمح للمستخدم بالتحقيق بسرعة في واجهة الأجهزة العيانية مثل أقطاب بطارية الخلية المعدنية بدقة عشرات النانومترات. ابدأ بتثبيت مرحلة cryo-SEM ومضاد للتلوث.

قم بإخلاء غرفة SEM واضبط نظام حقن الغاز ، GIS ، مصدر البلاتين بحيث عند إدخاله ، سيجلس المصدر على بعد حوالي خمسة ملليمترات من سطح العينة. اضبط درجة حرارة GIS على 28 درجة مئوية وافتح الغالق لتهوية النظام لمدة 30 ثانية لإزالة أي مواد زائدة. ثم اسمح لغرفة SEM بالإخلاء لمدة لا تقل عن ثماني ساعات.

في نهاية فترة الإخلاء، اضبط المجهر ومراحل الإعداد على 175 درجة مئوية تحت الصفر واضبط مضاد التلوث على 192 درجة مئوية تحت الصفر. لتزجيج العينة، املأ بالتسلسل الحجم الرئيسي لمزمار النيتروجين ثنائي الوعاء والحجم المحيط به بالنيتروجين السائل حتى يتوقف النيتروجين السائل عن الفقاعات. أغلق اللوح المملوء بالغطاء وابدأ مضخة الطين.

عندما يبدأ النيتروجين السائل في التصلب ، ابدأ في تنفيس وعاء الطين. بمجرد أن يكون الضغط مرتفعا بما يكفي للسماح بفتح الوعاء ، ضع العينة بسرعة ولكن بلطف في النيتروجين. عندما يتوقف الغليان حول العينة، استخدم قضيب نقل مبرد مسبقا لنقل العينة إلى غرفة التفريغ في مكوك SEM المبرد مسبقا قبل أن يبدأ النيتروجين في التجمد.

انقل المكوك بسرعة إلى القفل الهوائي لغرفة الإعداد وقم بالمضخة على نظام النقل. إذا رغبت في ذلك، قم برش خمسة إلى 10 نانومترات من طبقة من الذهب والبلاديوم على سطح العينة لتخفيف الشحن. ثم انقل مكوك العينة بأسرع ما يمكن وبسلاسة إلى مرحلة المجهر المبرد.

بالنسبة لتصوير سطح العينة، قم أولا بتصوير العينة بتكبير 100 ×. بعد ذلك ، أحضر العينة إلى ارتفاع متمركز تقريبا واحصل على صورة ثانية منخفضة التكبير. حدد منطقة اختبار التضحية داخل السائل المزجج وحدد أي مشكلات محتملة قد تكون موجودة بسبب تلف الحزمة أو الشحن.

ابحث في العينة عن المناطق المثيرة للاهتمام. عندما يتم تحديد منطقة ، قم بإمالة العينة بحيث يكون السطح طبيعيا إلى اتجاه إبرة GIS البلاتينية وأدخل إبرة GIS. قم بتسخين السطح إلى 28 درجة مئوية وافتح الصمام لمدة 2.5 دقيقة تقريبا قبل سحب المصدر.

قم بإمالة مكوك العينة نحو مصدر الحزمة الأيونية المركزة وتعريض البلاتين العضوي المعدني لحزمة أيون 30 كيلوفولت عند 2.8 نانو أمبير وتكبير 800 × لمدة 30 ثانية. بعد ذلك، قم بتصوير سطح العينة باستخدام شعاع الإلكترون للتحقق من أن السطح أملس ويفتقر إلى أي علامات للشحن. لإعداد مقطع عرضي ، استخدم أولا الحزمة الأيونية عند 30 كيلوفولت وتيار طحن سائب أقل يبلغ حوالي 2.8 نانو أمبير للحصول على لقطة لسطح العينة.

تحديد ميزة الاهتمام وقياس الموضع التقريبي للمقطع العرضي. لإنشاء نافذة جانبية للأشعة السينية ، ارسم مقطعا عرضيا منتظما يدور 90 درجة بالنسبة إلى مكان وجود الخندق ووضع النافذة الجانبية بحافة واحدة تتدفق تقريبا مع المقطع العرضي النهائي المطلوب. قم بتغيير حجم النمط الدوار لزيادة عدد الأشعة السينية إلى أقصى حد للخروج من سطح المقطع العرضي.

استخدم تيارا عاليا لإنشاء مقطع عرضي منتظم كبير بما يكفي للكشف عن ميزة الاهتمام واستخدام الحزمة الأيونية عند 30 كيلوفولت والتيار محل الاهتمام للحصول على لقطة لسطح العينة. تحديد ميزة الاهتمام ووضع اللمسات الأخيرة على وضع الخندق. يجب أن يمتد الخندق إلى ما وراء جانبي الميزة المثيرة للاهتمام ببضعة ميكرونات.

تأكد من وجود ميكرومتر واحد من المواد بين حافة الخندق والمقطع العرضي النهائي المطلوب واستخدم تطبيق الطحن لضبط عمق Z على ميكرومتر ، مع إيقاف عملية الطحن مؤقتا بانتظام لتصوير المقطع العرضي باستخدام شعاع الإلكترون حسب الضرورة. عندما يكون الخندق أعمق بكثير من ميزة الاهتمام ، لاحظ مقدار الوقت اللازم لإنشاء الخندق الخشن لتوجيه العمق. لإنشاء مقطع عرضي نهائي ونظيف ، اخفض تيار الحزمة الأيونية إلى حوالي 0.92 نانو أمبير وصور سطح العينة.

بعد التحقق من موقع الميزة المثيرة للاهتمام ، استخدم برنامج الشعاع الأيوني المركز لرسم مقطع عرضي للتنظيف وتداخل نافذة التنظيف مع الخندق المصنوع مسبقا بمقدار ميكرومتر واحد على الأقل للمساعدة في تخفيف إعادة الترسيب. بعد ذلك، استخدم الوقت اللازم لإنشاء الخندق لتعيين قيمة عمق Z. بالنسبة لتعيين EDX، حدد ظروف الحزمة المناسبة للعينة وقم بتوجيه العينة لزيادة عدد الأشعة السينية إلى أقصى حد.

أدخل كاشف EDX واضبط وقت المعالجة المناسب. في برنامج الكاشف، افتح إعداد المجهر وابدأ تشغيل صورة شعاع الإلكترون. انقر على سجل النتائج لقياس معدل العد والوقت الميت.

إذا كان الوقت الميت بحاجة إلى تعديل، فقم بتغيير ثابت وقت EDX. بمجرد تحديد شروط الكاشف ، قم بجمع صورة شعاع الإلكترون وافتح Image Setup لتحديد عمق البت ودقة الصورة. حدد دقة خريطة الأشعة السينية ونطاق الطيف وعدد القنوات ووقت بقاء الخريطة.

يمكن أن يكون نطاق الطاقة منخفضا مثل طاقة الحزمة المستخدمة. ثم، في برنامج EDX، حدد المنطقة المراد تعيينها فوقها. عند اكتمال الخريطة، احفظ الخريطة كمكعب بيانات.

تسلط هذه الصور لرقائق الليثيوم العارية المطحونة عند 25 درجة مئوية و 165 درجة مئوية تحت الصفر الضوء على كيف يمكن أن يساعد التبريد إلى درجات الحرارة المبردة في الحفاظ على العينات أثناء طحن الحزمة الأيونية المركزة. بالنسبة لتجارب EDX ، يجب تحسين هندسة طحن الحزم الأيونية المركزة ويجب مراعاة موضع كاشف EDX. هنا ، يمكن ملاحظة الفرق بين عينة جيدة الإعداد وعينة سيئة الإعداد بالتبريد ، وكلاهما يستخدم بطارية الليثيوم المعدنية كمثال.

وعلى الرغم من أن كلتا العينتين تم إعدادهما اسميا وفقا لنفس الإجراء، إلا أن التعرض القصير للهواء أدى على الأرجح إلى تفاعلات سطحية لوحظت في العينة سيئة الإعداد. إن رسم خريطة لرواسب الليثيوم في 1 و 3-dioxolane و 1 و 2-dimethoxyethane مع ظروف غير مثالية يؤدي إلى اختلافات في التباين ، ومن المحتمل أن يكون مؤشرا على واجهة محفوظة جيدا في البداية يتم فقدانها بسبب تلف الإشعاع أثناء رسم الخرائط. وعلى النقيض من ذلك، تم تنفيذ هذه الخريطة لليثيوم الميت المضمن في المنحل بالكهرباء المزجج وركيزة الليثيوم تحتها عند كيلوفولت و0.84 نانوأمبير، مع الحفاظ على مورفولوجيا سطح العينة.

على الرغم من أن بعض الأضرار لا تزال مرئية بعد رسم الخرائط ، إلا أن مدى الضرر ينخفض بشكل كبير. في هذا التحليل ، تم استخدام رسم خرائط EDX لتحديد موقع جسيمات أكسيد الحديد النانوية المزروعة في هيدروجيل السيليكا. سمحت عمليات المسح الضوئي الكبيرة في مجال الرؤية بتحديد المناطق ذات الأهمية ، في حين تم استخدام المزيد من عمليات المسح المترجمة للطحن الخاص بالموقع.

يمكن أن يكون شحن العينة ضارا بنجاح هذا الإجراء. تذكر خفض تيارات الشعاع وأوقات الإقامة حسب الضرورة للحد من آثار الشحن. بعد ذلك ، يمكن إجراء رفع FIB بالتبريد لإعداد صفيحة خاصة بالموقع لتحليل TEM.

يمكن تصوير العينات بدقة دون أنغستروم ورسم خريطة للتوزيع الكيميائي باستخدام EELS و EDX في أداة TEM.