Nanoskalige Charakterisierung von Flüssig-Fest-Grenzflächen durch Kopplung von kryofokussiertem Ionenstrahlfräsen mit Rasterelektronenmikroskopie und Spektroskopie

Summary

Kryogene fokussierte Ionenstrahl- (FIB) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) können wichtige Einblicke in die Chemie und Morphologie intakter Fest-Flüssig-Grenzflächen liefern. Methoden zur Erstellung hochwertiger spektroskopischer EDX-Karten (Energy Dispersive X-ray) solcher Grenzflächen werden detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf Energiespeichergeräten liegt.

Abstract

Physikalische und chemische Prozesse an Fest-Flüssig-Grenzflächen spielen eine entscheidende Rolle bei vielen natürlichen und technologischen Phänomenen, einschließlich Katalyse, Solarenergie und Brennstofferzeugung sowie elektrochemischer Energiespeicherung. Die nanoskalige Charakterisierung solcher Grenzflächen wurde kürzlich mit Hilfe der kryogenen Elektronenmikroskopie erreicht und bietet damit einen neuen Weg, um unser grundlegendes Verständnis von Grenzflächenprozessen voranzutreiben.

Dieser Beitrag bietet einen praktischen Leitfaden zur Kartierung der Struktur und Chemie von Fest-Flüssig-Grenzflächen in Materialien und Geräten unter Verwendung eines integrierten kryogenen Elektronenmikroskopie-Ansatzes. Bei diesem Ansatz kombinieren wir die kryogene Probenvorbereitung, die die Stabilisierung von Fest-Flüssig-Grenzflächen ermöglicht, mit dem kryozentrischen Ionenstrahlfräsen (Kryo-FIB), um Querschnitte durch diese komplexen vergrabenen Strukturen zu erzeugen. Kryogene Rasterelektronenmikroskopie-Techniken (Kryo-REM), die in einem Zweistrahl-FIB/REM durchgeführt werden, ermöglichen eine direkte Bildgebung sowie eine chemische Kartierung auf der Nanoskala. Wir diskutieren praktische Herausforderungen, Strategien zu ihrer Überwindung sowie Protokolle, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Während wir uns in unserer Diskussion auf Schnittstellen in Energiespeichergeräten konzentrieren, sind die beschriebenen Methoden weitgehend auf eine Reihe von Bereichen anwendbar, in denen die Fest-Flüssig-Grenzfläche eine Schlüsselrolle spielt.

Introduction

Grenzflächen zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten spielen eine entscheidende Rolle bei der Funktion von Energiematerialien wie Batterien, Brennstoffzellen und Superkondensatoren ^1,2,3. Während die Charakterisierung der Chemie und Morphologie dieser Grenzflächen eine zentrale Rolle bei der Verbesserung funktioneller Geräte spielen könnte, stellte dies eine erhebliche Herausforderung^dar 1,3,4. Flüssigkeiten sind nicht kompatibel mit den Hochvakuumumgebungen, die für viele gängige Cha....

Protocol

1. Probe vorbereiten und in die REM-Kammer überführen

1. Einrichten des Mikroskops
   1. Bei Systemen, die zwischen Raumtemperatur und kryogenen Geräten umwandeln, installieren Sie die Kryo-REM-Stufe und den Antikontaminator gemäß den Anweisungen des Geräteherstellers und evakuieren Sie die SEM-Kammer.
   2. Stellen Sie die Platinquelle des Gasinjektionssystems (GIS) so ein, dass sie beim Einsetzen im Vergleich zu typischen Raumtemperaturexperimenten etwa 5 mm weiter von der Probenoberfläche entfernt sitzt. Diese Position muss für jedes System optimiert werden, um eine gleichmäßige Beschichtung der Probenoberfläche zu gewährleisten. Auf der hier verwende....

Results

Diese Methode wurde auf einem dualen FIB/SEM-System entwickelt, das mit einer handelsüblichen Kryostufe, einem Antikontaminator und einer Vorbereitungskammer ausgestattet ist. Weitere Informationen finden Sie in der Materialtabelle. Wir haben diese Methode in erster Linie an Lithium-Metall-Batterien mit einer Reihe verschiedener Elektrolyte getestet, aber die Methode ist auf jede Fest-Flüssig-Grenzfläche anwendbar, die die Menge an Dosis aushält, die während der EDX-Kartierung angewendet wird.

Discussion

Die hier beschriebene kryogene Präparationsmethode ist wichtig und muss korrekt durchgeführt werden, damit die Chemie und Morphologie erhalten bleiben⁸. Das Hauptanliegen ist das schnelle Einfrieren der Probe, da dies die Glasur der Flüssigkeit ermöglicht⁸. Wenn die Probe zu langsam abkühlt, können Flüssigkeiten kristallisieren, was zu einer Änderung der Morphologie^{führt 6}. Um eine Kristallisation zu verhindern, wird bei diesem Verfahren Matschsticks.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
INCA EDS	Oxford Instrumente		Steuerungssoftware für X-max 80
PP3010T Kryo-Präparationssystem	Quorum Technologies, Inc.		Kryogenes Präparationssystem FIB/REM. Beinhaltet eine Pumpstation, ein Transferstabsystem, eine Vorbereitungskammer, kryogene Stufen, Probenshuttles
Strata 400 DualBeam-System	FEI Co. (jetzt Thermo Fisher Scientific)		Zweistrahl-FIB/SEM
X-Max 80	Oxford Instruments		80mm2 EDX-Detektor
xT Microscope Control	FEI Co. (jetzt Thermo Fisher Scientific)		Software zur Steuerung von FEI-Schichten