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

De cryo-SEM- en FIB-methode kan worden gebruikt om vast-vloeistofinterfaces en biologische monsters te bestuderen met behoud van de oorspronkelijke structuur van de monsters. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de cryo-SEM de gebruiker in staat stelt om snel de interface van macroscopische apparaten zoals knoopcelbatterijelektroden met tientallen nanometers resolutie te onderzoeken. Begin met het installeren van een cryo-SEM-trap en een anticontaminator.

Evacueer de SEM-kamer en pas het gasinjectiesysteem, GIS, platinabron aan, zodat de bron bij het inbrengen ongeveer vijf millimeter van het monsteroppervlak verwijderd is. Stel de GIS-temperatuur in op 28 graden Celsius en open de sluiter om het systeem gedurende 30 seconden te ontluchten om overtollig materiaal op te ruimen. Laat vervolgens de SEM-kamer minimaal acht uur evacueren.

Stel aan het einde van de evacuatieperiode de microscoop en voorbereidingsfasen in op min 175 graden Celsius en stel de anticontaminator in op min 192 graden Celsius. Om het monster te verglaasen, vult u achtereenvolgens het hoofdvolume van de stikstof-dual-pot slusher en het omringende volume met vloeibare stikstof totdat de vloeibare stikstof stopt met borrelen. Sluit de gevulde slusher af met het deksel en start de slushpomp.

Wanneer de vloeibare stikstof begint te stollen, begint u met het ontluchten van de slush pot. Zodra de druk hoog genoeg is om de pot te openen, plaatst u het monster snel maar voorzichtig in de stikstof. Wanneer het koken rond het monster is gestopt, gebruikt u een voorgekoelde overdrachtsstaaf om het monster over te brengen naar de vacuümkamer van een voorgekoelde SEM-shuttle vlak voordat de stikstof begint te bevriezen.

Breng de shuttle snel over naar de luchtsluis van de voorbereidingskamer en pomp op het overdrachtssysteem. Sputter desgewenst vijf tot 10 nanometer van een goud-palladiumlaag op het monsteroppervlak om het opladen te verminderen. Breng vervolgens de monstershuttle zo snel en soepel mogelijk over op het gekoelde microscoopstadium.

Voor beeldvorming van het monsteroppervlak, eerst het monster afbeelden met een vergroting van 100 X. Breng vervolgens het monster naar een ongeveer eucentrische hoogte en verkrijg een tweede beeld met lage vergroting. Selecteer een opofferingstestgebied in de verglaasde vloeistof en identificeer eventuele problemen die aanwezig kunnen zijn als gevolg van stralingsschade of opladen.

Zoek in de steekproef naar de interessante regio's. Wanneer een gebied is geïdentificeerd, kantelt u het monster zodat het oppervlak normaal is in de richting van de platina GIS-naald en plaatst u de GIS-naald. Verwarm het oppervlak tot 28 graden Celsius en open de klep ongeveer 2,5 minuten voordat u de bron intrekt.

Kantel de sample shuttle naar de gefocuste ionenbundelbron en stel het organo-metallic platina bloot aan een ionenbundel van 30 kilovolt op 2,8 nanoampère en een vergroting van 800 X gedurende 30 seconden. Stel vervolgens het monsteroppervlak met de elektronenbundel in beeld om te controleren of het oppervlak glad is en geen tekenen van opladen vertoont. Om een doorsnede te bereiden, gebruikt u eerst de ionenbundel op 30 kilovolt en een lagere bulkfreesstroom van ongeveer 2,8 nanoampère om een momentopname van het monsteroppervlak te verkrijgen.

Identificeer het kenmerk van interesse en meet de ruwe plaatsing van de doorsnede. Om een zijraam voor de röntgenfoto's te maken, tekent u een regelmatige doorsnede die 90 graden is gedraaid ten opzichte van waar de sleuf zich zal bevinden en plaatst u het zijraam met één rand ongeveer gelijk met de gewenste uiteindelijke doorsnede. Wijzig het formaat van het gedraaide patroon om het aantal röntgenstralen te maximaliseren om het oppervlak van de doorsnede te verlaten.

Gebruik een hoge stroom om een regelmatige doorsnede te creëren die net groot genoeg is om het kenmerk van belang te onthullen en gebruik de ionenbundel op 30 kilovolt en de stroom van belang om een momentopname van het monsteroppervlak te verkrijgen. Identificeer het kenmerk van belang en voltooi de plaatsing van de geul. De geul moet zich een paar micron voorbij weerszijden van het interessante kenmerk uitstrekken.

Bevestig dat er één micrometer materiaal tussen de rand van de sleuf en de gewenste uiteindelijke doorsnede zit en gebruik de freestoepassing om de Z-diepte in te stellen op twee micrometer, waarbij het freesproces regelmatig wordt onderbroken om de doorsnede met de elektronenbundel in beeld te brengen als dat nodig is. Wanneer de geul veel dieper is dan het kenmerk van belang, let dan op de hoeveelheid tijd die nodig is om de ruwe geul te maken om de diepte te begeleiden. Om een laatste, schone doorsnede te creëren, verlaagt u de ionenbundelstroom tot ongeveer 0,92 nanoampère en geeft u het monsteroppervlak in beeld.

Nadat u de locatie van de gewenste functie hebt geverifieerd, gebruikt u de gerichte ionenbundelsoftware om een reinigingsdoorsnede te tekenen en het reinigingsvenster met de vooraf gemaakte sleuf met ten minste één micrometer te overlappen om de herafzetting te helpen verminderen. Gebruik vervolgens de tijd die nodig is om de sleuf te maken om de Z-dieptewaarde in te stellen. Voor EDX-mapping selecteert u de juiste bundelcondities voor het monster en oriënteert u het monster om het aantal röntgenstralen te maximaliseren.

Plaats de EDX-detector en stel de juiste procestijd in. Open in de detectorsoftware de Microscope Setup en start het elektronenbundelbeeld. Klik op Hit Record om het aantal stemmen en de dode tijd te meten.

Als de dode tijd moet worden aangepast, wijzigt u de EDX-tijdconstante. Zodra de detectorcondities zijn vastgesteld, verzamelt u het elektronenstraalbeeld en opent u Image Setup om de bitdiepte en beeldresolutie te selecteren. Selecteer de resolutie van de röntgenkaart, het spectrumbereik, het aantal kanalen en de verblijftijd van de kaart.

Het energiebereik kan zo laag zijn als de gebruikte bundelenergie. Selecteer vervolgens in de EDX-software het gebied dat u in kaart wilt brengen. Wanneer de kaart is voltooid, slaat u de kaart op als een gegevenskubus.

Deze afbeeldingen van kale lithiumfolie gefreesd bij 25 en min 165 graden Celsius benadrukken hoe koeling tot cryogene temperaturen kan helpen bij het bewaren van monsters tijdens het gefocusseerd frezen van ionenbundels. Voor EDX-experimenten moet de gefocusseerde ionenbundelfreesgeometrie worden geoptimaliseerd en moet rekening worden gehouden met de positie van de EDX-detector. Hier kan het verschil worden waargenomen tussen een goed en een slecht voorbereid cryo-geïmmobiliseerd monster, beide met behulp van de lithium-metaalbatterij als voorbeeld.

Hoewel beide monsters nominaal volgens dezelfde procedure werden bereid, resulteerde een korte blootstelling aan lucht hoogstwaarschijnlijk in de oppervlaktereacties die in het slecht voorbereide monster werden waargenomen. Het in kaart brengen van een lithiumafzetting in 1, 3-dioxolaan, 1, 2-dimethoxyethaan met niet-optimale omstandigheden resulteert in contrastvariaties, waarschijnlijk een indicatie van een aanvankelijk goed bewaard gebleven interface die verloren gaat als gevolg van stralingsschade tijdens het in kaart brengen. Daarentegen werd deze kaart van dood lithium ingebed in verglaasde elektrolyt en het lithiumsubstraat eronder uitgevoerd op twee kilovolt en 0,84 nanoampère, waardoor de morfologie van het monsteroppervlak behouden bleef.

Hoewel er na het in kaart brengen nog enige schade zichtbaar is, wordt de omvang van de schade aanzienlijk verminderd. In deze analyse werd EDX-mapping gebruikt om ijzeroxide-nanodeeltjes te lokaliseren die in een silicahydrogel zijn gekweekt. Grote field-of-view scans maakten de identificatie van interessante regio's mogelijk, terwijl meer gelokaliseerde scans werden gebruikt voor locatiespecifiek frezen.

Het in rekening brengen van monsters kan schadelijk zijn voor het succes van deze procedure. Vergeet niet om de bundelstromen en verblijftijden zo nodig te verlagen om de effecten van opladen te beperken. Hierna kan een cryo-FIB lift-out worden uitgevoerd om een locatiespecifieke lamellen voor te bereiden op TEM-analyse.

Monsters kunnen worden afgebeeld met sub-angstrom resolutie en de chemische verdeling in kaart brengen met behulp van EELS en EDX in een TEM-instrument.