Caractérisation à l’échelle nanométrique des interfaces liquide-solide par couplage du fraisage par faisceau d’ions cryoconcentré avec la microscopie électronique à balayage et la spectroscopie

Summary

Les techniques de faisceau d’ions focalisés cryogéniques (FIB) et de microscopie électronique à balayage (MEB) peuvent fournir des informations clés sur la chimie et la morphologie des interfaces solide-liquide intactes. Les méthodes de préparation de cartes spectroscopiques à rayons X à dispersion d’énergie (EDX) de haute qualité de ces interfaces sont détaillées, en mettant l’accent sur les dispositifs de stockage d’énergie.

Abstract

Les processus physiques et chimiques aux interfaces solide-liquide jouent un rôle crucial dans de nombreux phénomènes naturels et technologiques, notamment la catalyse, la production d’énergie solaire et de combustibles, ainsi que le stockage électrochimique de l’énergie. La caractérisation à l’échelle nanométrique de telles interfaces a récemment été réalisée à l’aide de la microscopie électronique cryogénique, offrant ainsi une nouvelle voie pour faire progresser notre compréhension fondamentale des processus d’interface.

Cette contribution fournit un guide pratique pour cartographier la structure et la chimie des interfaces solide-liquide dans les matériaux et les dispositifs à l’aide d’une approche de microscopie électronique cryogénique intégrée. Dans cette approche, nous associons la préparation d’échantillons cryogéniques qui permet la stabilisation des interfaces solide-liquide avec le broyage par faisceau d’ions cryogénique focalisés (cryo-FIB) pour créer des sections transversales à travers ces structures enterrées complexes. Les techniques de microscopie électronique à balayage cryogénique (cryo-SEM) réalisées dans un FIB/SEM à double faisceau permettent l’imagerie directe ainsi que la cartographie chimique à l’échelle nanométrique. Nous discutons des défis pratiques, des stratégies pour les surmonter, ainsi que des protocoles pour obtenir des résultats optimaux. Alors que nous nous concentrons dans notre discussion sur les interfaces dans les dispositifs de stockage d’énergie, les méthodes décrites sont largement applicables à une gamme de domaines où l’interface solide-liquide joue un rôle clé.

Introduction

Les interfaces entre solides et liquides jouent un rôle essentiel dans la fonction des matériaux énergétiques tels que les batteries, les piles à combustible et les supercondensateurs ^1,2,3. Bien que la caractérisation de la chimie et de la morphologie de ces interfaces puisse jouer un rôle central dans l’amélioration des dispositifs fonctionnels, cela a présenté un défi de taille ^1,3,4. Les liquides sont incompatibles avec les environnements à vide poussé nécessaires pour de nombreu....

Protocol

1. Préparer l’échantillon et le transférer dans la chambre SEM

1. Configurer le microscope
   1. Pour les systèmes qui convertissent entre la température ambiante et l’équipement cryogénique, installez l’étage cryo-SEM et l’anticontaminateur conformément aux instructions du fabricant de l’équipement et évacuez la chambre SEM.
   2. Ajustez la source de platine du système d’injection de gaz (SIG) de sorte que, lorsqu’elle est insérée, elle se trouve à environ 5 mm plus loin de la surface de l’échantillon par rapport aux expériences typiques à température ambiante. Cette position doit être optimisée pour chaque système afin d’assurer un revêtement uniforme....

Results

Cette méthode a été développée sur un système double FIB/SEM équipé d’un étage cryogénique, d’un anticontaminateur et d’une chambre de préparation disponibles dans le commerce. Pour plus de détails, consultez le tableau des matériaux. Nous avons principalement testé cette méthode sur des batteries au lithium métal avec un certain nombre d’électrolytes différents, mais la méthode est applicable à toute interface solide-liquide qui supportera la quantité de dose appliquée lors de la cartographie EDX.

Discussion

La méthode de préparation cryogénique décrite ici est importante et doit être effectuée correctement pour que la chimie et la morphologie soient préservées⁸. La principale préoccupation est de congeler l’échantillon rapidement puisque c’est ce qui permet au liquide d’être vitrifié⁸. Si l’échantillon refroidit trop lentement, les liquides peuvent cristalliser entraînant un changement de morphologie⁶. Pour éviter la cristallisation, de l’azote slush es.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
	Logiciel		de contrôle pour X-max 80
PP3010T Système de cryopréparation	Quorum Technologies, Inc.		Système de préparation cryogénique FIB/SEM. Comprend une station de pompage, un système de tiges de transfert, une chambre de préparation (préparation), des étages cryogéniques, des navettes d’échantillons.
Système Strata 400 DualBeam  ;	FEI Co. (maintenant Thermo Fisher Scientific)		Dual beam FIB/SEM
X-Max 80	Oxford Instruments Détecteur		EDX 80mm2
xT Microscope Control	FEI Co. (maintenant Thermo Fisher Scientific)		Logiciel de contrôle de FEI Strata  ;