Method Article

Cryo-Focused Ion Beam Milling과 주사 전자 현미경 및 분광법을 결합하여 액체-고체 인터페이스의 나노스케일 특성화

DOI:

10.3791/61955

⸱

July 14th, 2022

 ,  , 
1School of Applied and Engineering Physics, Cornell University, 2Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

극저온 집중 이온 빔 (FIB) 및 주사 전자 현미경 (SEM) 기술은 손상되지 않은 고액 계면의 화학 및 형태학에 대한 주요 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 이러한 인터페이스의 고품질 에너지 분산 X선(EDX) 분광지도를 준비하는 방법은 에너지 저장 장치에 중점을 두고 상세히 설명되어 있습니다.

Abstract

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고액 계면에서의 물리적 및 화학적 공정은 촉매, 태양 에너지 및 연료 생성, 전기 화학 에너지 저장 등 많은 자연 및 기술 현상에서 중요한 역할을합니다. 이러한 인터페이스의 나노 스케일 특성화는 최근 극저온 전자 현미경을 사용하여 달성되었으며, 이로 인해 계면 프로세스에 대한 우리의 근본적인 이해를 발전시키는 새로운 경로를 제공합니다.

이 기여는 통합 극저온 전자 현미경 접근 방식을 사용하여 재료 및 장치에서 고액 계면의 구조 및 화학을 매핑하는 실용적인 가이드를 제공합니다. 이 접근법에서는 극저온 시료 준비를 결합하여 극저온 집속 이온 빔 (cryo-FIB) 밀링과 고액 계면의 안정화를 통해 이러한 복잡한 매설 구조를 통해 단면을 생성합니다. 이중 빔 FIB/SEM에서 수행되는 극저온 주사 전자 현미경(cryo-SEM) 기술은 나노 스케일에서의 화학적 매핑뿐만 아니라 직접 이미징을 가능하게 합니다. 우리는 실용적인 도전, 그것을 극복하기위한 전략, 최적의 결과를 얻기위한 프로토콜에 대해 논의합니다. 에너지 저장 장치의 인터페이스에 대한 논의에 초점을 맞추는 동안, 설명 된 방법은 고체 - 액체 인터페이스가 중요한 역할을하는 다양한 분야에 광범위하게 적용 할 수 있습니다.

Introduction

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고체와 액체 사이의 인터페이스는 배터리, 연료 전지 및 슈퍼 커패시터 1,2,3과 같은 에너지 재료의 기능에 중요한 역할을합니다. 이러한 인터페이스의 화학과 형태를 특성화하는 것이 기능 장치를 개선하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있지만, 그렇게하면 상당한 도전 과제가 제시되었습니다 1,3,4. 액체는 x-ray 광방출 분광법, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 투과 전자 현미경2와 같은 많은 일반적인 특성화 기술에 필요한 고진공 환경과 양립 할 수 없습니다. 역사적으로, 해결책은 장치로부터 액체를 제거하는 것이었지만, 이것은 계면 2,4에서 섬세한 구조를 잠재적으로 손상시키거나 형태학3을 수정하는 대가로 온다. 배터리, 특히 반응성이 높은 알칼리 금속을 사용하는 배터리의 경우....

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Protocol

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1. 샘플을 준비하고 SEM 챔버로 옮깁니다.

  1. 현미경 설치
    1. 실온과 극저온 장비 사이를 변환하는 시스템의 경우 장비 제조업체의 지침에 따라 cryo-SEM 스테이지와 오염 방지기를 설치하고 SEM 챔버를 대피시킵니다.
    2. 가스 주입 시스템(GIS) 백금 공급원을 조정하여 삽입할 때 일반적인 실온 실험에 비해 샘플 표면에서 약 5mm 더 멀리 떨어져 앉도록 합니다. 이 위치는 샘플 표면의 균일 한 코팅을 보장하기 위해 각 시스템에 맞게 최적화되어야합니다. 여기에 사용 된 FIB에서 이것은 GIS 소스의 측면에있는 세트 나사를 풀고 칼라를 시계 방향으로 3 회전시킴으로써 수행됩니다.
    3. GIS 온도를 28°C로 설정하고 셔터를 열고 이 온도에서 30초 동안 환기시켜 과도한 재료를 제거합니다. 유기 금속이 차가운 표면을 코팅하기 때문에 실온에서 이것을하십시오.
    4. 준비 챔버에서 SEM으로 샘플 셔틀을 적재하기위한 적절한 위치로 스테이지를 이동하십시오 (이것은 시스템에 따라 다를 수 있음).
    5. SEM 챔버가 최소 8 시간 동안 대피하도록 허용하고, 실험 중에 얼음 오염을 최소화하기에 충분한 낮은 진공 (전형적으로 약 4E-6 Torr)을 확립한다.
  2. 극저온 준비 스테....

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Results

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이 방법은 상업적으로 이용 가능한 극저온 단계, 오염 방지 장치 및 준비 챔버가 장착 된 이중 FIB / SEM 시스템에서 개발되었습니다. 자세한 내용은 자료표를 참조하십시오. 우리는 주로 여러 가지 전해질을 가진 리튬 금속 배터리에서이 방법을 테스트했지만이 방법은 EDX 매핑 중에 적용되는 선량량을 견딜 수있는 모든 고액 계면에 적용 할 수 있습니다.

그림 1은 여기에 사용된 극저온 시스템의 다양한 구성 요소, 즉 샘플이 동결되는 슬러시 포트(그림 1A), 이송 중에 셔틀을 저장하는 진공 챔버를 특징으로 하는 이송 시스템(그림 1B), 샘플이 스퍼터로 코팅되는 준비 또는 "준비" 챔버(그림 1C,D) 및 SEM 극저온 스테이지 자체(그림 1E)를 보여줍니다.

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Discussion

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여기에 설명 된 극저온 준비 방법은 중요하며 화학 및 형태학이 보존되기 위해서는 올바르게 수행되어야합니다8. 가장 중요한 관심사는 액체가 유리화 될 수 있기 때문에 샘플을 신속하게 동결시키는 것입니다8. 샘플이 너무 천천히 냉각되면 액체가 결정화되어 형태학(6)이 변할 수 있습니다. 결정화를 방지하기 위해 슬러시 질소는 액체 질소8,23,24에 비해 Leidenfrost 효과를 줄이고 냉각을 가속화하기 때문에이 절차에 사용됩니다. 우리는 또한 수용액에 비해 많은 유기 액체가 유리화25,26에 대해 상당히 낮은 냉각 속도를 필요로하며,.......

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Disclosures

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저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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우리는 우리의 연구를위한 샘플을 제공 한 Shuang-Yan Lang과 Héctor D. Abruña의 공헌을 크게 인정합니다. 이 연구는 NSF (National Science Foundation) (DMR-1654596)의 지원을 받았으며 NSF가 지원하는 코넬 재료 연구 시설 센터 (Cornell Center for Materials Research Facility)를 수상했습니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
INCA EDS옥스포드 기기X-max 80
PP3010T저온 준비 시스템Quorum Technologies, Inc.FIB/SEM 극저온 준비 시스템. 펌핑 스테이션, 전송 로드 시스템, 준비 (준비) 챔버, 극저온 단계, 샘플 셔틀 포함 
Strata 400 DualBeam 시스템 FEI Co. (현재 Thermo Fisher Scientific)Dual beam FIB/SEM
X-Max 80Oxford Instruments80mm2 EDX detector
xT Microscope ControlFEI Co. (현재 Thermo Fisher Scientific)FEI Strata를 제어하기 위한 소프트웨어 
용 제어 소프트웨어

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Schmickler, W., Santos, E. Interfacial Electrochemistry. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin, Heidelberg. (2010).
  2. Cheng, X. -B., Zhang, R., Zhao, C. -Z., Wei, F., Zhang, J. -G., Zhang, Q. A review of solid electrolyte interphases on lithium metal anode. Advanced Science. 3 (3), 1500213(2016).
  3. Allen, F. I.,....

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Cryo FIB MillingCryo SEM ImagingSolid Liquid InterfaceEDX MappingEELS AnalysisFocused Ion BeamScanning Electron MicroscopyCryogenic Sample PreparationCross Section PreparationNanoscale Characterization

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