Caracterización a nanoescala de interfaces líquido-sólido mediante el acoplamiento de fresado de haz de iones crioenfocado con microscopía electrónica de barrido y espectroscopía

Summary

Las técnicas de haz de iones enfocados criogénicos (FIB) y microscopía electrónica de barrido (SEM) pueden proporcionar información clave sobre la química y la morfología de las interfaces sólido-líquido intactas. Se detallan los métodos para preparar mapas espectroscópicos de rayos X de dispersión de energía (EDX) de alta calidad de dichas interfaces, con un enfoque en los dispositivos de almacenamiento de energía.

Abstract

Los procesos físicos y químicos en las interfaces sólido-líquido desempeñan un papel crucial en muchos fenómenos naturales y tecnológicos, incluida la catálisis, la energía solar y la generación de combustible, y el almacenamiento de energía electroquímica. La caracterización a nanoescala de tales interfaces se ha logrado recientemente utilizando microscopía electrónica criogénica, proporcionando así un nuevo camino para avanzar en nuestra comprensión fundamental de los procesos de interfaz.

Esta contribución proporciona una guía práctica para mapear la estructura y la química de las interfaces sólido-líquido en materiales y dispositivos utilizando un enfoque integrado de microscopía electrónica criogénica. En este enfoque, combinamos la preparación de muestras criogénicas que permite la estabilización de las interfaces sólido-líquido con el fresado criogénico de haz de iones enfocados (crio-FIB) para crear secciones transversales a través de estas complejas estructuras enterradas. Las técnicas de microscopía electrónica de barrido criogénico (crio-SEM) realizadas en un FIB/ SEM de doble haz permiten la obtención de imágenes directas, así como el mapeo químico a nanoescala. Discutimos desafíos prácticos, estrategias para superarlos, así como protocolos para obtener resultados óptimos. Si bien nos centramos en nuestra discusión sobre las interfaces en los dispositivos de almacenamiento de energía, los métodos descritos son ampliamente aplicables a una variedad de campos donde la interfaz sólido-líquido juega un papel clave.

Introduction

Las interfaces entre sólidos y líquidos desempeñan un papel vital en la función de los materiales energéticos como baterías, pilas de combustible y supercondensadores ^1,2,3. Si bien la caracterización de la química y la morfología de estas interfaces podría desempeñar un papel central en la mejora de los dispositivos funcionales, hacerlo ha presentado un desafío sustancial ^1,3,4. Los líquidos son incompatibles con los entornos de alto vacío necesarios para muchas técnicas comunes de ....

Protocol

1. Preparar la muestra y transferirla a la cámara SEM

1. Configurar el microscopio
   1. Para los sistemas que convierten entre la temperatura ambiente y el equipo criogénico, instale la etapa crio-SEM y el anticontaminador de acuerdo con las instrucciones del fabricante del equipo y evacue la cámara SEM.
   2. Ajuste la fuente de platino del sistema de inyección de gas (SIG) para que cuando se inserte se encuentre aproximadamente 5 mm más lejos de la superficie de la muestra en comparación con los experimentos típicos a temperatura ambiente. Esta posición debe optimizarse para cada sistema para garantizar un recubrimiento uniforme de la superficie de la....

Results

Este método se ha desarrollado en un sistema dual FIB / SEM equipado con una etapa criogénica disponible comercialmente, anticontaminador y cámara de preparación. Para obtener más información, consulte la tabla de materiales. Hemos probado principalmente este método en baterías de metal de litio con una serie de electrolitos diferentes, pero el método es aplicable a cualquier interfaz sólido-líquido que soportará la cantidad de dosis aplicada durante el mapeo EDX.

La Figur.......

Discussion

El método de preparación criogénica descrito aquí es importante y debe hacerse correctamente para que la química y la morfología se conserven⁸. La principal preocupación es congelar la muestra rápidamente, ya que esto es lo que permite que el líquido se vitrifique⁸. Si la muestra se enfría demasiado lentamente, los líquidos pueden cristalizar, lo que resulta en un cambio en la morfología⁶. Para evitar la cristalización, en este procedimiento se utili.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
INCA EDS	Oxford instruments		Software de control para X-max 80
PP3010T Sistema de preparación criogénica	Quorum Technologies, Inc.		Sistema de preparación criogénica FIB/SEM. Incluye estación de bombeo, sistema de varillas de transferencia, cámara de preparación (preparación), etapas criogénicas, lanzaderas de muestras
Sistema Strata 400 DualBeam	FEI Co. (ahora Thermo Fisher Scientific)		Doble haz FIB/SEM
X-Max 80	Oxford Instruments		80mm2 Detector EDX
xT Control de microscopio	FEI Co. (ahora Thermo Fisher Scientific)		Software para el control de FEI Strata