Nanoschaalkarakterisering van vloeistof-vaste interfaces door cryo-gerichte ionenbundelfrezen te koppelen aan scanningelektronenmicroscopie en spectroscopie

Summary

Cryogenic Focused Ion Beam (FIB) en Scanning Electron Microscopy (SEM) technieken kunnen belangrijke inzichten bieden in de chemie en morfologie van intacte vast-vloeistof interfaces. Methoden voor het voorbereiden van hoogwaardige Energy Dispersive X-ray (EDX) spectroscopische kaarten van dergelijke interfaces zijn gedetailleerd, met een focus op energieopslagapparaten.

Abstract

Fysische en chemische processen op vaste-vloeistofinterfaces spelen een cruciale rol in veel natuurlijke en technologische verschijnselen, waaronder katalyse, zonne-energie en brandstofopwekking en elektrochemische energieopslag. Nanoschaalkarakterisering van dergelijke interfaces is onlangs bereikt met behulp van cryogene elektronenmicroscopie, waardoor een nieuw pad wordt geboden om ons fundamentele begrip van interfaceprocessen te bevorderen.

Deze bijdrage biedt een praktische gids voor het in kaart brengen van de structuur en chemie van vast-vloeistof interfaces in materialen en apparaten met behulp van een geïntegreerde cryogene elektronenmicroscopiebenadering. In deze aanpak koppelen we cryogene monstervoorbereiding die stabilisatie van vast-vloeistof interfaces mogelijk maakt met cryogene gerichte ionenbundel (cryo-FIB) frezen om doorsneden door deze complexe begraven structuren te creëren. Cryogene scanning elektronenmicroscopie (cryo-SEM) technieken uitgevoerd in een dual-beam FIB /SEM maken directe beeldvorming en chemische mapping op nanoschaal mogelijk. We bespreken praktische uitdagingen, strategieën om ze te overwinnen, evenals protocollen voor het verkrijgen van optimale resultaten. Hoewel we ons in onze discussie richten op interfaces in energieopslagapparaten, zijn de beschreven methoden breed toepasbaar op een reeks gebieden waar de vaste-vloeistofinterface een sleutelrol speelt.

Introduction

Interfaces tussen vaste stoffen en vloeistoffen spelen een vitale rol in de functie van energiematerialen zoals batterijen, brandstofcellen en supercondensatoren ^1,2,3. Hoewel het karakteriseren van de chemie en morfologie van deze interfaces een centrale rol zou kunnen spelen bij het verbeteren van functionele apparaten, heeft dit een aanzienlijke uitdaging^{opgeleverd 1,3,4}. Vloeistoffen zijn onverenigbaar met de hoogvacuümomgevingen die nodig zijn voor veel gangbare karakteriserings....

Protocol

1. Bereid het monster voor en breng het over in de SEM-kamer

1. De microscoop instellen
   1. Voor systemen die schakelen tussen kamertemperatuur en cryogene apparatuur, installeert u de cryo-SEM-trap en anticontaminator volgens de instructies van de fabrikant van de apparatuur en evacueert u de SEM-kamer.
   2. Pas de platinabron van het gasinjectiesysteem (GIS) zo aan dat deze bij het inbrengen ongeveer 5 mm verder van het monsteroppervlak zit in vergelijking met typische experimenten bij kamertemperatuur. Deze positie moet voor elk systeem worden geoptimaliseerd om een gelijkmatige coating van het monsteroppervlak te garanderen. Op de FIB die hier wor....

Results

Deze methode is ontwikkeld op een dubbel FIB/SEM-systeem dat is uitgerust met een in de handel verkrijgbare cryogene fase, anticontaminator en voorbereidingskamer. Zie de tabel met materialen voor meer informatie. We hebben deze methode voornamelijk getest op lithium-metaalbatterijen met een aantal verschillende elektrolyten, maar de methode is van toepassing op elke vaste-vloeistofinterface die de hoeveelheid dosis die wordt toegepast tijdens EDX-mapping zal doorstaan.

Fi.......

Discussion

De hier beschreven cryogene bereidingsmethode is belangrijk en moet correct worden uitgevoerd om de chemie en morfologie te behouden⁸. De belangrijkste zorg is het snel bevriezen van het monster, omdat dit de vloeistof in staat stelt om verglaasd te worden⁸. Als het monster te langzaam afkoelt, kunnen vloeistoffen kristalliseren, wat resulteert in een verandering in de morfologie⁶. Om kristallisatie te voorkomen, wordt slush-stikstof gebruikt in deze.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
INCA EDS	Oxford instruments		Control software for X-max 80
PP3010T Cryo-preparation system	Quorum Technologies, Inc.		FIB/SEM cryogenic preparation system. Includes pumping station, transfer rod system, preparation (prep) chamber, cryogenic stages, sample shuttles
Strata 400 DualBeam System	FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)		Dual beam FIB/SEM
X-Max 80	Oxford Instruments		80mm2 EDX detector
xT Microscope Control	FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific)		Software for controlling FEI Strata