Procedury kriogenicznej dyfrakcji nanowiązki w skaningowym mikroskopie elektronowym w charakterystyce strukturalnej wrażliwych na wiązkę interfejsów bateryjnych

Podsumowanie

Niniejszy protokół opisuje przebieg analizy z wykorzystaniem kriogenicznej dyfrakcji wiązki nanometrowej w skaningowym mikroskopie elektronowym z kontrolą dawki (cryo-SEND) w celu charakterystyki wrażliwych na wiązkę elektronów interfejsów bateryjnych. Metoda ta pozwala na zachowanie rodzimych faz międzyfazowych stałego elektrolitu (SEI) poprzez połączenie bezlodowego przenoszenia kriogenicznego, kontroli dawki elektronów oraz obrazowania opartego na dyfrakcji. Procedura obejmuje wytyczne dotyczące przygotowania próbek, transferu kriogenicznego, wyrównania wiązki oraz akwizycji danych.

Streszczenie

Obserwacja interfejsów baterii jest kluczowa, ponieważ to one sterują transportem elektronów i jonów oraz wpływają na procesy elektrochemiczne w magazynowaniu energii. Mimo tego znaczenia, ich charakterystyka jest trudna ze względu na nanometryczną grubość oraz ekstremalną wrażliwość na uszkodzenia wywołane wiązką elektronów. Niniejszy artykuł przedstawia protokół kriogenicznej dyfrakcji nanowiązkowej w skaningowym mikroskopie elektronowym z kontrolą dawki (cryo-SEND), który umożliwia analizę strukturalną wrażliwych na wiązkę interfejsów baterii przy zachowaniu ich stanu natywnego. Głównym usprawnieniem tego schematu pracy jest integracja kriogenicznej obsługi bez tworzenia lodu z analizą opartą na dyfrakcji, co oddziela czułość strukturalną od formowania obrazu przy wysokiej dawce. Procedura rozpoczyna się od beztlenowego przygotowania próbki w rękawicy z atmosferą obojętną, po czym następuje kriogeniczne frezowanie za pomocą skupionej wiązki jonów/skaningowej mikroskopii elektronowej (cryo-FIB/SEM) w celu wytworzenia elektronoprzezroczystych lameli. Opisujemy zoptymalizowane procedury transferu kriogenicznego z FIB do transmisyjnego mikroskopu elektronowego, podkreślając zastosowanie kriotransportera (cryo-shuttle) wyposażonego w ochronną pokrywę w celu ograniczenia kontaminacji lodem podczas transportu. Wewnątrz TEM metoda SEND jest przeprowadzana w temperaturach kriogenicznych, aby badać struktury interfejsowe na zwitryfikowanych granicach elektrolit-lit metaliczny. SEND umożliwia analizę krystalograficzną i strukturalną, znacząco redukując całkowitą skumulowaną dawkę elektronów w porównaniu z konwencjonalnym obrazowaniem. Ogólnie rzecz biorąc, niniejszy protokół dostarcza podejścia do badania interfejsów baterii i ma szerokie zastosowanie w kriogenicznych badaniach mikroskopii elektronowej materiałów wrażliwych na wiązkę.

Wprowadzenie

Optymalizacja interfejsów baterii, w szczególności międzypowierzchniowych warstw elektrolitu stałego (SEI), jest kluczowa dla zapewnienia stabilności i wysokiej wydajności akumulatorów ładowalnych¹. SEI powstają jako produkty rozkładu w wyniku reakcji między elektrolitami ciekłymi lub stałymi a elektrodami baterii. Po uformowaniu warstwy te regulują transport jonów i elektronów. Niedostateczny transport jonów stwarza znaczne bariery dla mobilności jonów i prowadzi do wysokich nadpotencjałów w systemach bateryjnych, podczas gdy elektrolity są stale zużywane, jeśli nie zostaną spasywowane elektronicznie. Dlatego funkcjonalne SEI muszą promować szybki transport jonów i ograniczać wyciek elektronów, aby zapewnić długoterminową stabilność cykli ładowania i rozładowania.

Baterie litowe są obiecujące, ponieważ mogą zwiększyć gęstość energii systemów bateryjnych w porównaniu z konwencjonalnymi systemami opartymi na graficie¹, jednak warstwy SEI tworzące się na metalicznym Li są chemicznie złożone i wysoce wrażliwe na warunki elektrochemiczne². Niemniej jednak, kryteria wymagane dla stabilności SEI stają się bardziej rygorystyczne w miarę dążenia do opracowania praktycznych systemów o wysokim obciążeniu masowym i szybkich warunkach ładowania. Opisywanie SEI po prostu jako „dobrych” lub „złych” dostarcza ograniczonych informacji³. Dlatego też charakterystyka SEI z rozdzielczością przestrzenną jest niezbędna do odkrycia strukturalnych i chemicznych przyczyn stabilności SEI.

Do analizy składu SEI powszechnie stosuje się szeroki wachlarz technik charakteryzacji, takich jak spektrometria mas jonów wtórnych w czasie przelotu (TOF-SIMS)^4,5 oraz rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS)^6,7, jednak ich rozdzielczość przestrzenna jest niewystarczająca do rozdzielenia struktur niejednorodnych i zakopanych. Niedawno kriogeniczna transmisyjna mikroskopia elektronowa (cryo-TEM) wyłoniła się jako potężne narzędzie do wyjaśniania struktur SEI^3,8. Cryo-TEM w połączeniu z obrazowaniem wysokiej rozdzielczości (HR) oferuje lepszą rozdzielczość przestrzenną w porównaniu z innymi technikami. Mimo tej zalety coraz częściej zauważa się, że konwencjonalne obrazowanie HRTEM często wiąże się ze stosowaniem dawek elektronów przekraczających granice stabilności komponentów SEI, co prowadzi do krystalizacji lub rozkładu wywołanego wiązką^9,10. W rezultacie rośnie zapotrzebowanie na procedury mikroskopii elektronowej, które w sposób jawny kontrolują dawkę przy jednoczesnym zachowaniu wierności strukturalnej.

Specyficznym celem niniejszego protokołu jest ustanowienie niskodawkowej, kriogenicznej procedury dyfrakcji nanowiązką elektronów w skanującym mikroskopie elektronowym (SEND), dostosowanej do interfejsów baterii, ze szczególnym uwzględnieniem niezawodnej charakterystyki strukturalnej SEI. SEND jest wariantem skanującej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM), w którym kąt półwierzchołkowy zbieżności jest zmieniany w celu zrównoważenia rozdzielczości w przestrzeni rzeczywistej i przestrzeni odwrotnej, a wzory dyfrakcyjne są rejestrowane w obszarze rastrowanym w każdym punkcie skanowania^11,12. W rezultacie powstają czterowymiarowe zestawy danych, które obejmują informacje z przestrzeni rzeczywistej oraz przestrzeni odwrotnej. Poprzez dostrojenie kąta półwierzchołkowego zbieżności, rozmiaru wiązki i wielkości kroku, można zoptymalizować warunki oświetlenia tak, aby pozostały one znacznie poniżej dawki krytycznej, przy jednoczesnym zachowaniu możliwości rozdzielczości uporządkowania w nanoskali, krystaliczności i heterogeniczności¹².

Niniejszy schemat postępowania jest niezbędny, ponieważ istniejące podejścia kriogenicznej transmitencyjnej mikroskopii elektronowej (cryo-TEM) opierają się głównie na obrazowaniu kontrastowym fazowym, w którym interpretowalność strukturalna jest powiązana ze stosunkowo wysokimi dawkami skumulowanymi. W przeciwieństwie do tego, metoda SEND oddziela czułość strukturalną od bezpośredniego formowania obrazu, co pozwala na kwantyfikację uporządkowania krótkiego i średniego zasięgu przy dawkach znacznie niższych niż te wymagane dla HRTEM^10,13. Na poziomie protokołu SEND rozwiązuje kilka kluczowych problemów: (i) systematyczną kontrolę dawki podczas akwizycji danych, (ii) poprawioną wiarygodność strukturalną dla faz SEI wrażliwych na wiązkę elektronów oraz (iii) integrację kriogenicznej obsługi próbek z analizą dyfrakcyjną odpowiednią dla heterogenicznych interfejsów baterii.

Opisana tutaj metoda jest przeznaczona do badania wrażliwych na wiązkę interfaz w akumulatorach wielokrotnego ładowania, w tym SEI na metalicznym Li i innych reaktywnych materiałach elektrodowych, w których charakterystyczne grubości są rzędu kilkudziesięciu nanometrów. SEND jest szczególnie odpowiednie do badania heterogeniczności w nanoskali, mieszanin amorficzno-krystalicznych oraz uporządkowania krótkozasięgowego. Jednak jego stosowalność jest ograniczona przez grubość próbki, ograniczenia stosunku sygnału do szumu przy niskich dawkach elektronów oraz konieczność starannej interpretacji danych w systemach o wysokim stopniu nieuporządkowania.

W niniejszym protokole demonstrujemy, jak przeprowadzić analizę SEND w badaniach nad bateriami, koncentrując się w szczególności na etapach przygotowania próbek i akwizycji danych. Omawiamy również sposoby minimalizacji powstawania szronu, zwłaszcza podczas przygotowywania próbek transparentnych dla elektronów, ponieważ zanieczyszczenie szronem może przesłonić cechy SEI i utrudnić analizę dyfrakcyjną. Metody te zapewniają szczegółowe wytyczne dla powtarzalnej, wolnej od artefaktów charakterystyki interfejsów bateryjnych. Technika ta nie ogranicza się wyłącznie do charakterystyki SEI, lecz znajduje zastosowanie również w innych układach obejmujących materiały wrażliwe na wiązkę elektronów.

Przezroczystość dla elektronów jest warunkiem koniecznym w transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). W niniejszej pracy prezentujemy dwa komplementarne schematy postępowania w celu uzyskania przezroczystych dla elektronów próbek baterii: przygotowanie bezpośrednio na siatce TEM oraz frezowanie za pomocą kriogenicznej wiązki skupionej jonów (cryo-FIB)^14,15. Metoda przygotowania na siatce jest skuteczna, gdy próbki są z natury cienkie lub składają się z materiałów o niskiej liczbie atomowej, takich jak płytki litu lub nanocząstki, które mogą zostać bezpośrednio przeniesione na komercyjne siatki TEM lub osadzone na nich elektrochemicznie. Jednakże podejście to może naruszyć pierwotną integralność strukturalną interfejsów baterii. Materiały bateryjne są z natury heterogeniczne, a zachowanie ich struktury mechanicznej i międzyfazowej podczas obserwacji w TEM jest kluczowe. Ponadto protokoły przygotowania na siatce często wymagają płukania w celu usunięcia ciekłych elektrolitów, co może prowadzić do utraty słabo związanych lub nietrwałych komponentów SEI, zmieniając tym samym natywną strukturę międzyfazową.

W przeciwieństwie do tego, metoda cryo-FIB umożliwia celowane cieńczenie przy jednoczesnym zachowaniu ukrytych interfejsów i zwitryfikowanych elektrolitów, co czyni ją preferowanym podejściem, gdy kluczowe jest zachowanie natywnej morfologii i chemii interfejsów baterii. Frezowanie cryo-FIB zapewnia kontrolowaną, powtarzalną przezroczystość dla elektronów w szerokim zakresie architektur baterii, niezależnie od początkowej grubości próbki lub obecności ciekłych elektrolitów. W niniejszym protokole przedstawiamy obie strategie przygotowania oraz opisujemy ich respective zalety i ograniczenia. Podkreślamy również schemat pracy cryo-FIB jako niezawodną metodę strukturalnej charakterystyki wrażliwych na wiązkę interfejsów baterii.

Protokół

1. Elektrodepozycja Li na siatce TEM

1. Wszystkie komory baterii oraz odczynniki chemiczne suszyć w śluzie dołączonej do gloveboxa przez noc (≥12 h). Przechowywać je w środowisku argonu przez ≥24 h, aby usunąć wszelkie pozostałości wody.
2. Umieścić folie Cu w standardowej obudowie dodatniej ogniwa guzikowego CR-2032. Nie usuwać naturalnej warstwy tlenku miedzi przed osadzaniem litu.
   UWAGA: Usuwanie warstwy tlenku (np. poprzez traktowanie rozcieńczonym HCl) nie jest wymagane w tym protokole i może wprowadzić niekontrolowaną chemię powierzchni.
3. Przygotować próbki baterii przezroczyste dla elektronów do analizy TEM. Choć zdrapywanie elektrod baterii i odlewanie ich na siatkach TEM są powszechnymi opcjami, w celu realizacji tego protokołu należy osadzić metaliczny Li elektrochemicznie na siatkach TEM z miedzianej siatki.
   UWAGA: Ponieważ metaliczny Li jest jednym z najlżejszych pierwiastków, przezroczystość dla elektronów przy napięciach przyspieszających ( 200 kV) standardowej pracy TEM jest łatwo osiągalna. Alternatywnie, próbki przezroczyste dla elektronów można przygotować za pomocą kriogenicznego lift-out. Należy uważnie przeczytać protokół, aby określić odpowiedni schemat postępowania.
   1. Jeśli celem jest osadzenie Li na siatkach TEM, umieścić siatki (300 mesh) na folii Cu. Podczas stosowania cryo-FIB do tworzenia próbek przezroczystych dla elektronów, należy użyć pojedynczej warstwy folii miedzianej zamiast siatek TEM.
   2. Umieścić separator baterii na wierzchu folii Cu.
      UWAGA: Należy stosować separatory na bazie polipropylenu, ponieważ łatwo odklejają się one od elektrod w celu późniejszej charakterystyki. Separatory powlekane surfaktantem są odpowiednie dla elektrolitów węglanowych; w tym przypadku należy użyć pojedynczej warstwy separatora na bazie polipropylenu.
   3. Na separatorze umieścić standardowe chipsy z metalicznego Li lub zwinięte folie z metalicznego Li (~8 mm średnicy). Zwinięcie lub zarysowanie folii/chipsów z metalicznego Li w celu usunięcia tlenku powierzchniowego.
      UWAGA: W chipsach z metalicznego Li obecna jest już warstwa tlenku powierzchniowego o grubości 10 nm. Zarysowanie usuwa tę warstwę powierzchniową.
   4. Wstrzyknąć ciekłe elektrolity (80-100 µL) do separatora. Przygotować elektrolity bateryjne poprzez zmieszanie rozpuszczalników organicznych i soli Li. Rozpuszczalniki organiczne są bezwodne; dlatego należy usunąć ślady pozostałości wody za pomocą aktywnych sit molekularnych przez noc. Suszyć sole w temperaturze 70 ^oC przez noc przed użyciem w gloveboxie.
   5. Umieścić obudowę ujemną na anodzie z metalicznego Li, a następnie zacisnąć ogniwo guzikowe z siłą 1,1 ton. Wyjąć wykonane ogniwa guzikowe z gloveboxa. Poddać wykonane ogniwa gęstości prądu 0,5 mA/cm² do pojemności 1 mAh/cm², aby elektrochemicznie osadzić lit na folii miedzianej.
      UWAGA: Osadzanie rozpoczyna się dopiero po wystarczającym zwilżeniu przez elektrolit, co zazwyczaj wymaga ~12 h po montażu ogniwa.

2. Przygotowanie próbek do TEM (metoda na siatce)

UWAGA: Próbki do TEM są przygotowywane dwiema metodami. Pierwsza z nich to metoda cryo-FIB liftout, a druga to etap bez użycia cryo-FIB. W niniejszym opisie omawiamy etap bez procesu FIB. W przypadku konieczności zastosowania procedury cryo-FIB należy postępować zgodnie z drugą metodą.

1. Po osadzaniu Li, otwórz guzikowe ogniwa Li za pomocą narzędzi do dekrympowania wewnątrz gloveboxa. Na foliach miedzianych widoczne są osady metalicznego Li na siatkach TEM; usuń siatki TEM.
2. Wyjmij siatki TEM, usuwając separator, a następnie przeprowadź płukanie. W krokach płukania stosuj odpowiednie rozpuszczalniki. Na przykład w przypadku elektrolitów węglanowych stosuj węglan dimetylu (DMC) lub węglan dietylu (DEC); w przypadku elektrolitów eterowych stosuj dimetoksymetan (DME).
3. Nanieś kroplami odpowiednie rozpuszczalniki na siatki TEM i odsącz je wokół krawędzi za pomocą chusteczek laboratoryjnych w celu usunięcia rozpuszczalników; powtórz tę czynność wielokrotnie, aby usunąć pozostałości rozpuszczalników. Na koniec zanurz siatki w małej probówce wirówkowej (~1 mL) z odpowiednimi rozpuszczalnikami, aby usunąć śladowe pozostałości soli. Umieść siatki w wypełnionej argonem śluzie i susz je pod próżnią przez 5-15 min.
4. Umieść siatki w pudełkach do siatek cryo-TEM.
   UWAGA: Przedziały w pudełkach na siatki mogą reagować z rozpuszczalnikami bateryjnymi, dlatego należy upewnić się, że rozpuszczalniki zostały całkowicie usunięte podczas procedury suszenia próżniowego.
5. Zamknij pudełka na siatki pokrywami z pinem. Włóż pudełka na siatki do strunowego worka.
   UWAGA: Worki te nie powinny zawierać żadnych pozostałości wody przed użyciem. Przed użyciem worki muszą być suszone pod próżnią przez co najmniej jedną noc.
6. Wyjmij worki przez śluzę i natychmiast włóż je do kolby z ciekłym azotem z długą szyjką. Gdy pudełka na siatki znajdują się w ciekłym azocie, przetnij worki na pół, aby uwolnić pudełka do ciekłego azotu.
   UWAGA: Ta seria kroków zapewnia zminimalizowanie ekspozycji na powietrze. Należy nosić okulary ochronne z osłonami bocznymi lub gogle, bawełniane rękawiczki pod jednorazowymi rękawiczkami nitrylowymi oraz używać izolowanych kleszczy/pincet do manipulowania próbkami. Podczas przenoszenia próbek w naczyniu Dewar między pomieszczeniami należy nosić grube rękawice kriogeniczne.
7. Użyj długich pęset do manipulowania pudełkami na siatki i umieść pudełka w stożkowej probówce 50 mL przed charakterystyką cryo-STEM.
   UWAGA: Próbki mogą być przechowywane w dużym zbiorniku z ciekłym azotem przez kilka tygodni lub miesięcy. Nie zaobserwowano szczególnej degradacji próbek podczas przechowywania w ciekłym azocie; jednak idealnie jest zbadać próbki jak najszybciej.

3. Przygotowanie próbek do TEM (metoda cryo-FIB/SEM)

UWAGA: Ten schemat postępowania pozwala na zachowanie ciekłych elektrolitów w próbce i zapewnia przejrzystość dla elektronów niezależnie od początkowej grubości próbki.

1. Po osadzaniu Li otwórz ogniwa guzikowe za pomocą narzędzi do rozpinania (decrimping tools). Wyjmij z ogniw miedzianą folię z osadzonym Li i umieść ją na podstawce do FIB-SEM.
   UWAGA: Metalowe klipsy przymocowane do podstawki stabilnie utrzymują próbkę. Zapobiega to utracie próbek w przypadku, gdy taśmy węglowe tracą lepkość w niskich temperaturach.
2. Włóż podstawkę do woreczka strunowego i wyjmij go przez śluzę rękawicową (antechamber).
   UWAGA: Ważne jest, aby pamiętać, że elektrolity bateryjne są lotne, dlatego cały etap przygotowania powinien zostać przeprowadzony szybko (w ciągu kilku minut) przed hartowaniem.
3. Zanurz wypełniony argonem woreczek w ciekłym azotcie, a następnie otwórz go, przecinając woreczek na pół. Ostrożnie operuj podstawką SEM, ponieważ próbki stają się kruche po hartowaniu. Przed sesjami FIB/SEM umieść je w stożkowej probówce o pojemności 50 mL.
   UWAGA: Należy używać odpowiednich środków ochrony osobistej (bawełnianych rękawiczek i okularów ochronnych).
4. Przenieś schłodzone próbki za pomocą systemu transferu próżniowego do stolika cryo-FIB/SEM. Użyj zamkniętego przenośnika cryo-FIB/SEM, aby zminimalizować osadzanie się lodu.
   UWAGA: Pozostałości wilgotnego powietrza i cząsteczki wody osadzają się na zimnej pokrywie, zapobiegając zanieczyszczeniu próbki szronem. Do porównania użyto również przenośnika bez pokrywy (Rycina 1).
5. Osadź około 3 µm platyny metaloorganicznej, stosując 30 keV z plazmowym źródłem jonów Xe oraz prąd wiązki jonowej 100 pA do utwardzania podczas osadzania. Co 30 sekund przerwij osadzanie i przeskanuj utwardzone obszary przy najniższym powiększeniu prądem 10 nA, aby utworzyć gładką maskę z Pt. Osadzaj platynę przez 5 min w celu uzyskania pożądanej grubości.
6. Użyj prądów 30 nA i 10 nA do wykonania rowków w obszarach wycinania (lift-out). Stopniowo zmniejszaj natężenie prądu do 5 nA i 1 nA podczas tworzenia lamelli. Cieńcz lamellę, aż jej grubość osiągnie 1 µm.
7. Wykonaj lift-out lamelli, wykorzystując materiały z redepozycji do zlutowania zimnego nanomanipulatora. Przymocuj lamellę do połowy siatki Cu.
8. Cieńcz lamellę z obu stron prądem 300 pA przy przechyle 1,5° względem kąta wiązki jonowej. Zmniejsz natężenie prądu do 50 pA w celu dalszego cieńczenia. Do końcowego cieńczenia użyj 20 pA przy 5 kV.
9. Przenieś ścienioną lamellę do stacji roboczej z ciekłym azotem.
   UWAGA: Szczegółowe informacje na temat metody cieńczenia cryo-FIB znajdują się w literaturze ^{8,10,16,17,18} w celu przeprowadzenia przygotowania TEM na siatce lub cryo-lift-out dla próbek przezroczystych dla elektronów. Metodologia kriogenicznego lift-out była omawiana z wykorzystaniem metody redepozycji¹⁹ lub kriogennego chwytaka²⁰, a następnie lutowania do komercyjnej połowy siatki TEM. Połowa siatki powinna być zmontowana z siatką szczelinową (slot grid) w celu łatwiejszej manipulacji w ciekłym azocie^2,6.
10. Zutylizuj zużyte osady metalicznego Li lub przechowuj je w ciekłym azocie do przyszłego użycia. Umieść osady metalicznego Li w zlewce wewnątrz dygestorium. Do manipulacji używaj długich pincet.
    UWAGA: Elektrolity są lotne. Podczas wyjmowania próbek z ciekłego azotu do utylizacji, natychmiast umieść je w zamkniętym pojemniku przed przeniesieniem do dygestorium. Po wstawieniu do dygestorium otwórz pojemnik i przelej zawartość do zlewki. Pozostaw próbkę metalu litowego, aby powoli zareagowała z powietrzem przed ostateczną utylizacją.

4. Ustawianie wiązek

1. Niektóre mikroskopy nie oferują systemów sterowania soczewkami wolnymi; w takich przypadkach charakterystyka SEND nie jest możliwa. Wymień soczewki kondensacyjne 2 i 3, aby uzyskać kąt półzbieżności wynoszący 2 mrad. Wykorzystaj monokryształ, taki jak lamele Si, aby uzyskać pożądany kąt. Jeśli wzory dyfrakcyjne nie są dobrze ogniskowane na detektorze, dostosuj ostrość dyfrakcyjną (pierwszą soczewkę pośrednią).
2. Użyj trybu STEM przy 200 keV, aby zlokalizować próbkę, szczególnie przy niskim powiększeniu (np. 10k), starając się nie uszkodzić próbki wiązką elektronów. Dostosuj wysokość Z, aby zbliżyć się do ogniska eukentrycznego.
   UWAGA: Przed użyciem SEND konieczne jest wyrównanie wiązki w celu uzyskania pożądanych półkątów zbieżności.
3. Dostosuj kąt zbieżności, sterując CL3 (soczewką kondensacyjną) lub mini soczewką. Po dostrojeniu kąta wykorzystaj obszar próżni, aby skupić sondę w trybie obrazowania sondy, sterując ostrością obiektywu. Użyj sterowania korekcją pochylenia, aby zrekompensować odchylenie wiązki, co zminimalizuje descan i utrzyma wzór dyfrakcyjny w centrum podczas skanowania.
4. W trybie dyfrakcyjnym zmień ostrość dyfrakcyjną, aby zminimalizować prążki Fresnela w centrum wiązki. Przejdź do obszarów nanokrystalicznych (takich jak osady Pt). Dostosuj stygmatyzm obiektywu/dyfrakcyjny na wielokrystalicznym pierścieniu dyfrakcyjnym. Przy zmianie ostrości dyfrakcyjnej upewnij się, że pierścienie dyfrakcyjne są okrągłe, a prążki Fresnela są jednolite w całej centralnej części wiązki.
5. Zapisz te ustawienia wyrównania soczewek wolnych w oprogramowaniu TEM.
   UWAGA: Można ich użyć ponownie w kolejnych sesjach, jednak wymagają one ponownego dostrojenia między sesjami.
6. W ostatnim kroku dostosuj stygmatyzm soczewki kondensacyjnej podczas obrazowania próbek.
   UWAGA: Na tym etapie nie zaleca się zmiany ostrości obiektywu; w celu dalszego ogniskowania można zmienić wysokość próbki.
7. Zmierz prąd wiązki, aby oszacować dawkę elektronów dla różnych rozmiarów plamki.
   UWAGA: Do pomiaru prądu wiązki używamy bezpośredniego detektora elektronów. W celu pomiaru prądu wiązki należy zapoznać się z instrukcją producenta kamery. W trybie STEM zmierzysz, ile elektronów trafia do detektora w określonym czasie piksela. Będzie to istotne przy rygorystycznym ograniczaniu całkowitej skumulowanej dawki elektronów.
8. Ponownie zmierz półkąty zbieżności, korzystając z monokryształów.
   UWAGA: W konsekwencji do wyrównania układu wiązki potrzebujemy obszarów próżni, nanokryształów i monokryształów. Warto zauważyć, że kalibracja przestrzeni rzeczywistej dla STEM zmienia się po wyrównaniu wiązki, zwłaszcza gdy zmieniana jest ostrość soczewki obiektywu. Z tego powodu nie zalecamy regulacji soczewki obiektywu podczas tworzenia różnych ustawień oświetlenia.
9. Ponownie skalibruj rozdzielczość w przestrzeni rzeczywistej, korzystając z instrukcji TEM. Dodatkowo skalibruj długość kamery, aby zlokalizować wektory rozproszenia w przestrzeni dyfrakcyjnej.
   1. Użyj monokryształów lub nanokryształów, aby zmierzyć kalibrację kamery dyfrakcyjnej. Pamiętaj o ponownej kalibracji rozdzielczości w przestrzeni rzeczywistej w detektorach STEM przy każdym wyrównaniu.
   2. Zarejestruj kalibrację długości kamery dyfrakcyjnej dla każdej długości kamery. Jeśli przy różnych wyrównaniach stosowane są różne ustawienia ostrości dyfrakcyjnej, zapisz dane kalibracyjne i użyj ich ponownie podczas przetwarzania danych.
      UWAGA: Wszystko jest gotowe do dalszej charakterystyki.

5. Charakterystyka międzyfaz/interfejsów bateryjnych za pomocą Cryo-SEND

1. Przygotuj ciekły azot w naczyniu typu Dewar. Wyjmij pojemnik kriogeniczny zawierający próbki do cryo-STEM i umieść go w naczyniu z azotem. Postępuj zgodnie z typowymi etapami eksperymentalnymi obsługi próbek cryo-TEM w ramach procedur dla próbek biologicznych.
   1. Umieść pojemnik z siatkami w ciekłym azocie w stacji roboczej cryo-TEM. Przed włożeniem pojemnika upewnij się, że stacja robocza jest wypełniona ciekłym azotem. Po otwarciu pokrywy typu pin, chwyć siatkę TEM i delikatnie umieść ją w końcówce uchwytu cryo-TEM. Podczas ładowania potwierdź, że odczyt temperatury uchwytu wynosi poniżej -160 ^oC.
   2. Zamknij przesłonę i niezwłocznie wprowadź uchwyt do goniometru TEM. Postępuj zgodnie z instrukcjami producenta podczas wprowadzania uchwytów cryo-TEM z wejściem bocznym. Upewnij się, że pierścienie O-ring uchwytów TEM nie zamarzły podczas przygotowania uchwytu w stacji roboczej. Ogrzej O-ring podczas pompowania uchwytu w goniometrze przez 10 min.
      UWAGA: Zawsze usuwaj przesłonę (antykontaminator), gdy poziom próżni ustabilizuje się poniżej 2 × 10^-5 Pa; szczegóły znajdują się w instrukcji obsługi instrumentu.
2. Zlokalizuj próbkę przy niskim powiększeniu. Wybierz obszar zainteresowania, taki jak warstwa SEI. Obrysuj obszar zainteresowania i zbierz dane dyfrakcji nanowiązki. Dostosuj czas piksela i wielkość kroku, aby ograniczyć całkowitą skumulowaną dawkę.
   UWAGA: Stwierdzono, że dawka 100-300 e^-/Ų jest wystarczająca do rozdzielenia cech w SEI. Użytkownicy mogą jednak badać dawkę krytyczną dla stosowanych systemów. W naszym przypadku zastosowano czas piksela 13 ms i wielkość kroku 4 nm. W zależności od możliwości kamery/detektora elektronów zdecyduj, czy należy użyć blokera wiązki. W naszym eksperymencie nie stosowano blokera wiązki ani w bezpośrednim detektorze elektronów, ani w kamerze opartej na scyntylatorze.
   1. Zwróć uwagę na wizualne oznaki prawidłowego pomiaru:
      1. Upewnij się, że lamelą jest wystarczająco cienka, aby wszystkie komponenty były wyraźnie rozróżnialne; na przykład lit wydaje się bardzo ciemny w trybie STEM w ciemnym polu, podczas gdy SEI wykazuje najjaśniejszy kontrast. Potwierdź, że SEI otacza osad metalicznego Li i znajduje się pomiędzy zwitryfikowanymi elektrolitami a metalicznym Li.
      2. Potwierdź, że zwitryfikowany elektrolit jest wolny od istotnych porów i jest ciągły. Obecność porów wskazuje, że prąd wiązki podczas obrazowania był zbyt wysoki. Używaj niskiego powiększenia podczas nawigowania po próbce, aby uniknąć uszkodzeń wiązką.
3. Podczas regulacji centralnej pozycji wiązki nie kieruj jej na obszar zainteresowania. Użyj pustej przestrzeni próżniowej, aby ustawić wiązkę przechodzącą w centrum.
   UWAGA: Aby zredukować artefakty z kamery, wykonaj korekcję wzmocnienia (gain) oraz referencję ciemną (dark reference). Patrz instrukcję obsługi kamery.
4. Usuń detektor HAADF, aby uzyskać wzory dyfrakcyjne pod dużymi kątami.
   UWAGA: Może to być zbędne, jeśli zastosowano krótką odległość kamery.
5. Zoptymalizuj rozdzielczość kamery, przechowywanie/transfer danych oraz całkowity czas akwizycji w zależności od potrzeb eksperymentalnych. Wykonaj binning programowy lub sprzętowy dla danych za pomocą oprogramowania TEM.
   UWAGA: Rozdzielczość kamery może wynosić od 128 do 2 048. Binning po akwizycji jest możliwy za pomocą narzędzi do analizy danych. Zastosowanie zbyt wysokiej rozdzielczości skutkuje zbyt długim całkowitym czasem skanowania, co może prowadzić do dryftu podczas zbierania danych.
6. W celu uzyskania szczegółowych informacji o akwizycji danych użytej do otrzymania wyników: zastosowano aperturę formującą wiązkę 10 µm i rozmiar sondy 7 przy długości kamery 250 mm. Ustawiono czas piksela 13 ms i wielkość kroku 4 nm. Rozdzielczość piksela kamery wynosi 512.
   UWAGA: Prąd sondy wynosi 3,5 pA, a pomiar skutkuje dawką elektronów wynoszącą około 80 e^-/Ų. Wskaźnikiem sukcesu na tym etapie jest uzyskanie z Li wyraźnych refleksów odpowiadających płaszczyznom 110 lub 200, bez obecności wzorów dyfrakcyjnych lodu. Dodatkowo SEI powinno wykazywać amorficzne cechy dyfrakcyjne, a nie piki krystaliczne. Obecność cech krystalicznych wskazuje, że SEI uległo radiolizie podczas akwizycji. W takim przypadku należy przenieść się do innego obszaru SEI i zmniejszyć dawkę elektronów co najmniej o połowę. Kontynuuj zmniejszanie dawki, aż wzory dyfrakcyjne przestaną wykazywać cechy nanokrystaliczne.
7. Po zebraniu danych użyj przesłony lub zablokuj wiązkę (blanking), aby uniknąć uszkodzeń wiązką podczas wielokrotnego skanowania tego samego obszaru.
8. Po przeprowadzeniu akwizycji 4D STEM wykonaj obraz STEM, aby zaobserwować wszelkie zauważalne zmiany w obrazie przed pomiarem.
   UWAGA: Zazwyczaj przy zastosowaniu nadmiernej dawki elektronów można zaobserwować powstawanie pęcherzyków i utratę masy. W takim przypadku zastosuj niższą dawkę elektronów, zmieniając prąd sondy, wielkość kroku lub czas piksela.

6. Obserwacja uszkodzeń strukturalnych w SEI przy użyciu spektroskopii strat energii elektronów (EELS)

1. Ustaw prąd sondy na 11 pA , stosując rozmiar plamki 9 oraz aperturę 30 mm do pomiarów EELS.
2. Ustaw długość kamery na 2 cm, co odpowiada kątowi półzbiernemu 83,3 mrad.
3. Dla EELS krawędzi Li-K oraz EELS krawędzi O-K zastosuj odpowiednio czas piksela 0,5 ms i 10 ms.
4. Ustaw wielkość kroku na 6 nm dla EELS krawędzi Li-K i 8 nm dla EELS krawędzi O-K.
5. Powtórz pomiar, aby śledzić zmiany w widmie.

7. Odzyskiwanie próbek

1. Zamknij antykontaminator uchwytu cryo-TEM. Ponownie napełnij stację roboczą uchwytu ciekłym azotem. Przed napełnieniem upewnij się, że na stacji roboczej nie ma kondensacji wody. Użyj opalarki lub suszarki do włosów, aby usunąć resztki wody.
   UWAGA: Nie kieruj strumienia gorącego powietrza bezpośrednio na stację roboczą, ponieważ może ona stopić się pod wpływem ciepła. Do usuwania wody stosuj umiarkowaną temperaturę.
2. Wyjmij uchwyt z goniometru i niezwłocznie umieść go w stacji roboczej. Otwórz antykontaminator i zbierz próbkę do kriogenicznego pudełka na siatki. Przechowuj pudełko z siatkami w dużej szufladzie z ciekłym azotem.
   UWAGA: W zależności od wilgotności w pomieszczeniu TEM, należy pamiętać o możliwości wystąpienia kontaminacji szronem na próbkach podczas tego etapu.

8. Przetwarzanie danych

UWAGA: Dane są przechowywane w formatach zastrzeżonych. Aby otworzyć formaty danych 4DSTEM, należy użyć oprogramowania open-access Py4DSTEM²¹ lub PyXem²² (środowisko python oparte na Hyperspy).

1. W oprogramowaniu wykonaj korekcję descanu oraz stygmacji obiektywu. Pozwoli to na skorygowanie pozycji wiązki centralnej w każdej przestrzeni rzeczywistej (X,Y) oraz eliminację eliptyczności w przestrzeni odwrotnej (K_x, K_y).
   UWAGA: Skorzystaj z samouczków oprogramowania, aby dowiedzieć się, jak przeprowadzać podstawowe przetwarzanie danych.
2. Po podstawowej obróbce wstępnej uzyskaj wzory dyfrakcyjne z obszarów zainteresowania i przekształć dane 2D w dane 1D. Sygnał intensywności dyfrakcji zostanie uzyskany w przestrzeni wektora rozproszenia (przestrzeń odwrotna). Zastosuj metody odejmowania tła w celu wzmocnienia sygnału. W razie potrzeby pomnóż intensywność przez wektor rozproszenia (Q), aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu, lub użyj kwadratu wektora rozproszenia (Q²).
   UWAGA: Każdy piksel może generować sygnały dyfrakcyjne.
3. Zastosuj binowanie danych w przestrzeni rzeczywistej, aby wzmocnić sygnał dyfrakcyjny: pogrupuj piksele detektora w celu skrócenia czasu przetwarzania danych (w zależności od możliwości obliczeniowych stacji roboczej).
   UWAGA: Dokładna składnia poleceń i interfejsy użytkownika mogą się różnić w zależności od wersji oprogramowania i środowiska wykonawczego (opartego na skryptach lub notatnikach). Szczegółowe informacje dotyczące implementacji dla konkretnych wersji znajdziesz w oficjalnej dokumentacji i samouczkach Py4DSTEM oraz PyXem.

Wyniki

Rysunek 1 przedstawia przykłady prawidłowego i błędnego przygotowania próbek do eksperymentów cryo-SEND. Podczas przygotowywania próbek baterii za pomocą kriogenicznego FIB/SEM, unikanie kontaminacji szronem jest niezbędne do uzyskania wystarczającej przezroczystości elektronowej bez wprowadzania artefaktów. Po utworzeniu lameli na etapie cryo-FIB/SEM, próbki są przenoszone do środowiska o temperaturze otoczenia. Lamele są bardzo podatne na tworzenie się lodu, dopóki nie zostaną całkowicie zanurzone w ciekłym azocie. Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy kriogeniczny transporter FIB/SEM z przystawką osłonową, która zapobiega kontaminacji lodem.

Rycina 1: Przykłady poprawnych i niepoprawnych preparatów do cryo-SEND. (A) Obraz SEM kriopobranego fragmentu (cryo-liftout) osadów metalicznego Li utworzonych w konwencjonalnym elektrolycie węglanowym (1 M LiPF₆ w węglanie etylenu/DMC (stosunek 1:1 v/v). (B) Obraz cryo-SEM tej samej lamelli po przeniesieniu z etapu cryo-FIB/SEM. Lamella jest silnie zanieczyszczona grubą warstwą szronu. (C) Kolejny cryo-liftout z osadów metalicznego Li utworzonych w wysokostężonym elektrolycie eterowym (4 M LiFSI w DME). (D) Obraz cryo-TEM lamelli po przeniesieniu za pomocą zasuwki z pokrywą. Po przeniesieniu nie stwierdzono zanieczyszczenia lodem. Wyraźnie widoczne jest odbicie 110 dla Li, nie zaobserwowano dyfrakcji lodu. (E) Powiększony obraz STEM z dobrze zachowaną morfologią baterii, odpowiedni do dalszych eksperymentów cryo-SEND. Skróty: SEND = dyfrakcja nanowiązki elektronów w skanującym mikroskopie elektronowym; DMC = węglan dimetylu; DME = dimetoksyetan. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rysunek 1A,B przedstawia przypadek, w którym zanieczyszczenie lodem jest znaczne, a późniejsza analiza jest silnie utrudniona przez obecność warstw lodu. Chociaż w momencie szlifowania w komorze FIB/SEM zaobserwowano niewielką ilość lodu, na lamelli osadziły się grube warstwy szronu po przeniesieniu próbki do kolumny TEM, co pokazano na obrazie HAADF-STEM. W tym przypadku procedura przeniesienia została wykonana przy użyciu standardowego uchwytu SEM bez osłony ochronnej. W przypadku zastosowania szybkotransportu wyposażonego w osłonę antykontaminacyjną poziom zanieczyszczenia lodem był wyraźnie zredukowany, co przedstawiono na Rysunku 1C-E. Szczegółowo: lamella typu lift-out została przygotowana w etapie cryo-FIB/SEM (Rysunek 1C), a następnie przeniesiona z powrotem do ciekłego azotu. Podczas tego kroku, w momencie zniesienia próżni, osłona ochronna zapobiegła ekspozycji na wilgoć otoczenia, utrzymując próbkę w stanie wolnym od lodu. Rysunek 1D przedstawia czystą lamellę typu lift-out wraz z dyfrakcją pokazaną na wstawce, wykazującą refleksję 110  dla Li. Wskazuje to na brak sygnatur faz lodu w układzie heksagonalnym gęstym (HCP) lub kubicznym. Choć kontrast lodu jest bardziej zauważalny w trybie STEM, lamella na Rysunku 1E była całkowicie wolna od lodu.

Choć ten nowy transporter SEM/FIB w znacznym stopniu zapobiega zanieczyszczeniu szronem, nadal możliwe jest, że pozostałe duże kryształy lodu zawieszone w ciekłym azocie będą przylegać do lameli podczas manipulacji. Nie można tego całkowicie wyeliminować w procesach cryo-EM. Można jednak zminimalizować to zjawisko, manipulując próbkami w pomieszczeniu suchym (wilgotność 10-15%) i używając czystego ciekłego azotu, który nie był wystawiony na działanie powietrza przez więcej niż 20 min. Można rozważyć usuwanie lodu za pomocą napromieniowania elektronami. Jednakże elektrolity baterii i warstwy SEI są tak samo wrażliwe na wiązkę jak lód, a taka próba prawdopodobnie uszkodzi struktury przed kolejną charakterystyką. Metoda on-grid była rutynowo przeprowadzana w wielu badaniach^3,15,17 przy minimalnym zanieczyszczeniu szronem. Wynika to z faktu, że nie wymaga ona dodatkowych etapów przygotowania próbki przy przenoszeniu z cryo-FIB/SEM do kolumny TEM. Niemniej jednak tworzenie się szronu i przywieranie dużych kryształów lodu mogą nadal stanowić problem w procesie, jeśli eksperymenty nie są starannie kontrolowane. Ponieważ metoda ta z natury tworzy wiele obszarów zainteresowania, zanieczyszczenie lodem jest ogólnie mniej problematyczne.

Rysunek 2: Obrazy SEM ziaren metalicznego Li, zeszkliwionych elektrolitów oraz SEI. (A) Lamella wykonana metodą cryo-lift-out z metalicznego litu osadzonego elektrochemicznie z elektrolitu eterowego (mieszanina 4,6 M LiFSI i 2,3 M LiTFSI w DME). Przedstawiono duże ziarna Li, co wskazuje, że elektrolit i powstała SEI odegrały kluczową rolę w tworzeniu gęstych ziaren Li. (B) SEI na granicy między osadem metalicznego Li a elektrolitem obrazowana za pomocą obrazowania STEM w wysokim kącie ciemnego pola (HAADF-STEM). Wygenerowana lamella była wystarczająco cienka (~100 nm), aby rozdzielić wszystkie cechy ziaren metalicznego Li, elektrolitów i SEI. Powiększony obraz STEM pokazuje, że zeszkliwione elektrolity wykazywały niewielką liczbę pęcherzyków, co stanowi idealny warunek dla ciągłego pozyskiwania danych SEND. W przeciwnym razie elektrolity uwalniały pęcherzyki gazu. Paski skali = 5 µm (A), 1 µm (B). Rysunki zostały zaadaptowane za zgodą z Ref.⁹. Copyright 2025 American Chemical Society. Skróty: LiFSI = bis(fluorosulfonylo)imid litu, LiTFSI = bis(trifluorometanosulfonylo)imid litu, DME = dimetoksyetan, SEI = solid-electrolyte interphase, SEND = scanning electron nanobeam diffraction Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 2A przedstawia obraz SEM komponentów baterii z elektronprzezroczystej lameli przygotowanej metodą cryo-lift-out. Zwitryfikowany elektrolit został dobrze zachowany, a odpowiadający mu obraz HAADF-STEM na Rysunku 2B ujawnia warstwę interfejsu baterii o grubości 40 nm pomiędzy osadem metalicznego Li a zwitryfikowanym elektrolitem, gdzie przeprowadzone zostaną eksperymenty cryo-SEND. Ponownie, lamela jest wolna od lodu, co pozwala nam zmaksymalizować liczbę obszarów nadających się do charakterystyki strukturalnej. Obecność warstwy SEI pomiędzy elektrolitem a ziarnami metalicznego Li wskazuje na sukces protokołu przygotowania próbki.

Rycina 3: Analiza dyfrakcyjna SEI utworzonych w dwóch elektrolitach bateryjnych. Wysokie stężenie na rycinie odnosi się do mieszaniny 4,6 M LiFSI i 2,3 M LiTFSI w DME. (A) Obrazy HAADF-STEM osadów metalicznego Li utworzonych w każdym z elektrolitów (lewa strona) oraz wzory dyfrakcyjne SEI z odpowiadających im elektrolitów. (B) Profile dyfrakcyjne SEI wykazują, że warstwy SEI różnią się od siebie strukturalnie. Paski skali w części A wynoszą odpowiednio 100 nm dla obrazów STEM oraz 5 nm^-1 dla wzorów dyfrakcyjnych. Struktury SEI zostały zidentyfikowane jako amorficzne, co jest kluczowym wynikiem starannego doboru dawki opisanego w protokole. Dodatkowo, lamela bez lodu zapewniła wzory dyfrakcyjne wolne od dyfrakcji związanej z szronem, co pozwoliło nam wyizolować wzory dyfrakcyjne SEI. Ryciny zostały zaadaptowane za zgodą z Ref.¹⁰. Copyright 2025 American Chemical Society. Skróty: LiFSI = (bis(fluorosulfonylo)imid litu), LiTFSI = bis(trifluorometanosulfonylo)imid litu, SEI = stała warstwa międzyfazowa elektrolitu, HAADF-STEM = scanning transmission electron microscopy z wysokokątowym ciemnym polem pierścieniowym. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 3A przedstawia porównanie struktury SEI utworzonych w eterowym elektrolycie o niskim stężeniu (1 M LiFSI w dimetoksyetanie (DME)) oraz w eterowym elektrolycie o wysokim stężeniu (4,6 M LiFSI i 2,3 M LiTFSI w DME). Po zastosowaniu techniki cryo-SEND przy kontrolowanej dawce elektronów struktury wykazują charakter amorficzny, o czym świadczą izotropowe cechy w obrębie SEI. W rozdzielczości wynikającej z rozmiaru sondy (~1 nm) cechy amorficzne są mniejsze niż skala długości sondy, co skutkuje izotropowym wyglądem struktur amorficznych. Struktury SEI są odmienne: SEI z elektrolytu o niskim stężeniu nie wykazała wykrywalnej korelacji strukturalnej, podczas gdy SEI z elektrolytu o wysokim stężeniu wykazuje porządek dalekiego zasięgu. Porządek ten charakteryzuje się dwiema charakterystycznymi cechami wiązań z maksimami przy około 0,3 i 0,65 Å^-1, co przedstawiono na Rycini 3B. Wskazuje to, że SEI z dwóch różnych systemów elektrolitowych tworzą strukturalnie odmienne warstwy, co może wpływać na ich właściwości mechaniczne i chemiczne. Wnioski te oparto na pomiarach dyfrakcyjnych wykonanych w wielu obszarach (zazwyczaj 10–20 obszarów) w obrębie tej samej lamelli i zostały one powtórzone na co najmniej dwóch niezależnie przygotowanych lamellach dla każdego systemu elektrolitowego. Odpowiadające tym pomiarom mapowanie dyfrakcyjne zostało opisane w ref.¹⁰.

Ponadto rygorystyczna kontrola skumulowanej dawki jest niezbędna dla poprawy wiarygodności danych oraz uzyskania informacji chemicznych i strukturalnych o stanach natywnych (Rysunek 4). Stwierdzono, że struktury natywne SEI mogą zostać poważnie uszkodzone przez nadmierną dawkę wiązki. Na przykład, gdy dawkę ograniczono do ~500 e-/Ų, struktura SEI utworzona w elektrolicie o wysokim stężeniu pozostała amorficzna, lecz zaczęła krystalizować, gdy skumulowana dawka przekroczyła wartość progową. Widma EELS na Rysunku 4A,B pokazują postępujące tworzenie się Li₂O wraz z dawką elektronów. Powtarzalne pomiary SEND potwierdzają, że ekspozycja na wiązkę powoduje tworzenie się Li₂O w SEI (Rysunek 4C). Krytyczną dawkę elektronów dla różnych elektrolitów badano za pomocą dyfrakcji elektronów z wybranego obszaru⁹. Elektrolit na bazie eteru o wysokim stężeniu wykazuje nukleację nanokryształów przy dawkach powyżej 500 e^-/Ų. W przeciwieństwie do tego, dawka krytyczna dla elektrolitów o stężeniu 1 M wynosiła około 1000 e^-/Ų.

Rysunek 4: Badanie uszkodzeń SEI wywołanych wiązką. (A) K-krawędź Li oraz (B) K-krawędź O w SEI z elektrolitów o wysokim stężeniu przy różnej dawce elektronów. (C) Profile dyfrakcyjne SEI przed i po zastosowaniu nadmiernej dawki elektronów. Natywne SEI są wolne od Li₂O i wykazują szerokie widma zarówno dla K-krawędzi Li, jak i O, jednak w przypadku zastosowania dawek przekraczających próg krytyczny mogą łatwo tworzyć nanokryształy Li₂O. W związku z tym istotne jest stosowanie zalecanej dawki. W przeciwnym razie SEI ulegają szybkiemu uszkodzeniu, co prowadzi do zmian strukturalnych. Rysunki zostały zaadaptowane za zgodą z Ref.^9,10. Copyright 2025 American Chemical Society. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Pomyślne przeprowadzenie tych eksperymentów zależy od dwóch krytycznych etapów. Pierwszym z nich jest uniknięcie osadzania się szronu i tworzenia lodu na próbkach TEM. Jak wspomniano powyżej, SEI są wrażliwe na wiązkę i podatne na zmiany strukturalne pod wpływem nadmiernego naświetlania wiązką elektronów. Lód można usunąć za pomocą promieniowania wiązką elektronów, ale może to wymagać zastosowania dużej dawki elektronów, szczególnie w przypadku grubej warstwy lodu, jak pokazano na Rysunku 1B. Po utworzeniu się lodu, pozostała dopuszczalna dawka elektronów przed uszkodzeniem próbki zostaje szybko zużyta podczas pomiarów SEND i EELS. W niekorzystnych przypadkach struktury mogą zostać całkowicie zniszczone przed rozpoczęciem właściwych pomiarów. Dlatego niezbędne jest zminimalizowanie szronu i zapobieganie tworzeniu się dużych kryształów lodu. Wykorzystując nasz nowo zaprojektowany transporter cryo-FIB/SEM, demonstrujemy transfer bezlodu między cryo-FIB/SEM a cryo-TEM.

Drugim krytycznym krokiem jest kontrola dawki wiązki elektronów. Metoda SEND jest bardzo dobrze dostosowana do kontrolowania dawki elektronów, co nie jest możliwe w przypadku wysokorozdzielczych technik TEM. Dzięki kontrolowaniu kątów zbieżności i wielkości kroków możliwe jest precyzyjne sterowanie dawką elektronów. W przeciwieństwie do procedur TEM, nie wymaga ona powtarzalnych korekt ostrości/rozostrzeń ani nawigacji po próbkach przy wysokiej dawce, co w obu przypadkach może narażać próbki na wysoką dawkę skumulowaną, szczególnie przy dużym powiększeniu. Ponadto obrazowanie TEM o wysokiej rozdzielczości wymaga stabilności w skali atomowej; w przeciwnym razie jakość obrazu ulega pogorszeniu. W związku z tym uzyskanie wysokiej jakości obrazów często wymaga wykonania wielu ekspozycji, co zwiększa skumulowaną dawkę elektronów⁹. Takie scenariusze nie są jednak odpowiednie dla wrażliwych na wiązkę SEI. Z kolei SEND pozwala na przeprowadzenie wszystkich akwizycji przy niskim powiększeniu, tak aby przez obszar zainteresowania przeszła jedynie pożądana dawka elektronów. Na końcu sekcji Dyskusja zamieszczono podrozdział dotyczący rozwiązywania problemów.

Ograniczeniem metody SEND w charakterystyce SEI jest jej rozdzielczość przestrzenna, która zazwyczaj jest ograniczona do zakresu od wartości poniżej nanometra do kilku nanometrów. Wynika to z kompromisu pomiędzy rozdzielczością w przestrzeni rzeczywistej a stosunkiem sygnału do szumu w przestrzeni odwrotnej. Zwiększenie połowy kąta zbieżności zmniejsza intensywność dyfrakcji, co jest dopuszczalne w przypadku materiałów krystalicznych, gdzie sygnały dyfrakcyjne są z natury silne i czasami dodatkowo wzmocnione przez efekty kanalowania²³. Jednak w przypadku materiałów amorficznych, takich jak SEI, połowa kąta zbieżności musi pozostać na tyle mała, aby utrzymać wystarczającą intensywność dyfrakcji, przy jednoczesnym osiągnięciu rozmiaru sondy poniżej nanometra. W naszych eksperymentach zoptymalizowano połowę kąta zbieżności do 2 mrad przy rozmiarze sondy wynoszącym 1 nm.

W praktyce wielkość kroku nie może być tak mała, jak rozmiar sondy. Przy uwzględnieniu uszkodzeń spowodowanych wiązką, rzeczywista wielkość kroku powinna wynosić około kilku nm, ponieważ mniejszy krok prowadzi do przekroczenia dawki krytycznej i zniszczenia SEI. W konsekwencji niższa rozdzielczość przestrzenna SEND w porównaniu do HRTEM może ograniczać zdolność do rozróżniania cech w skali nanometrycznej, gdyż niektóre warstwy SEI mają grubość 1-10 nm. Wyzwanie staje się jeszcze większe, gdy elektrody i zestalone elektrolity nakładają się w projekcji, co utrudnia rozróżnienie warstw SEI znajdujących się pomiędzy nimi. Niejednorodna grubość elektrody może również komplikować projekcję 3D-do-2D podczas analizy. W związku z tym, w celu optymalizacji charakterystyki SEI za pomocą SEND, należy starannie rozważyć szereg wyzwań i kompromisów metodologicznych.

Chociaż zaprezentowaliśmy tę technikę głównie na przykładzie SEI utworzonych w elektrolitach ciekłych, podejście to jest również stosowalne do interfejsów między elektrodami stałymi a elektrolitami stałymi. Zachowanie stanu natywnego na tych interfejsach jest trudne, ponieważ mogą one ulec łatwemu odkształceniu i uszkodzeniu podczas demontażu, a znaczna grubość elektrolitów stałych utrudnia przygotowanie przekroju za pomocą trawienia wiązką jonów. Niemniej jednak, zoptymalizowane strategie FIB mogą umożliwić dostęp do tych interfejsów. Na przykład, poprzez trawienie od strony kolektora prądu i precyzyjną kontrolę grubości osadzenia Li, możliwe może być przygotowanie lameli o głębokości ~20 µm, odpowiednich do eksperymentów cryo-SEND.

Rozwiązywanie problemów i praktyczne wskazówki
Zanieczyszczenie szronem lub lodem
Zanieczyszczenie szronem podczas transferu kriogenicznego jest częstym rodzajem błędu i może objawiać się w postaci drobnych cząsteczek lodu na obrazach STEM-HAADF. Na obrazach TEM lód często nie jest bezpośrednio widoczny, jednak niedofokusowanie lub przedofokusowanie może uczynić go bardziej dostrzegalnym. Obecność wzorów dyfrakcyjnych z heksagonalnych lub kubicznych kryształów lodu również wskazuje na zanieczyszczenie i może nakładać się na sygnały z SEI, co potencjalnie utrudnia interpretację strukturalną.

W przypadku wystąpienia silnego oblodzenia jedną ze strategii łagodzenia tego problemu jest zastosowanie równoległej wiązki elektronów o natężeniu ~10 e⁻/Ų·s w celu usunięcia cząsteczek lodu. Choć może to doprowadzić do uszkodzenia obszarów wrażliwych na wiązkę, może to nadal umożliwić zebranie użytecznych danych dyfrakcyjnych i służyć jako punkt odniesienia do oceny tolerancji wiązki SEI. Strategie zapobiegawcze obejmują poprawę warunków kriotransferu poprzez minimalizację czasu ekspozycji na otoczenie, zapewnienie odpowiednio niskiej temperatury promu oraz korzystanie z suchego pomieszczenia lub środowiska odwilgotnionego. Wysoce zaleca się stosowanie zamykanego promu do cryo-FIB/SEM. Warto również zauważyć, że lód heksagonalny i nanokrystaliczny powstaje zazwyczaj w wyniku niewłaściwej kontroli transferu, podczas gdy duże kryształy lodu sześcienne są często wprowadzane przez zanieczyszczony ciekły azot. Dlatego w kontakcie z lamellami należy zawsze stosować czysty ciekły azot.

Uszkodzenia wywołane wiązką
Degradacja strukturalna wynikająca z ekspozycji na wiązkę elektronów jest kolejnym istotnym problemem. Wskaźniki uszkodzeń wywołanych wiązką obejmują postępujące zmiany w cechach dyfrakcyjnych, takie jak przejście ze struktur amorficznych do krystalicznych, w szczególności tworzenie się Li₂O. Zmiany te mogą stać się nieodwracalne po wielokrotnym skanowaniu. Dane EELS mogą również wykazywać postępujące przesunięcia widmowe, a w skrajnych przypadkach elektrolity witryfikowane mogą generować pęcherzyki gazu podczas skanowania przy dużym powiększeniu.

Aby zmniejszyć ryzyko uszkodzeń wywołanych wiązką, użytkownicy powinni skrócić czas piksela w celu zmniejszenia całkowitej skumulowanej dawki. Dodatkowe strategie ograniczania uszkodzeń obejmują zmniejszenie czasu przebywania wiązki (dwell time), zwiększenie wielkości kroku oraz stosowanie niskiego powiększenia podczas wyboru parametrów obrazowania i definiowania obszarów zainteresowania. Korekty te pomagają zachować naturalną strukturę SEI podczas akwizycji danych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Probówki stożkowe	Eppendorf	339652
Stoły do kriokompresyjnego FIB oraz powiązany sprzęt i narzędzia transportowe	Leica Microsystems
DEC (Węglan dietylu)	Sigma Aldrich	D91551
Detektor elektronów bezpośrednich	Gatan Metro
DME (dimetoksyetan)		259527	Sigma Aldrich
EC (węglan etylenu)	Sigma Aldrich	E26258
chusteczki Kimwipe			chusteczki laboratoryjne
Wiór metalicznego litu	Xiamen TOB New Energy Technology Co.
LiFSI (bis(fluorosulfonylo)imidek litu)	American Elements	LI-FSI-03-P
LiPF6 (heksafluorofosforan litu)		013950	Oakwood
LiTFSI (bis(trifluorometanosulfonylo)imid litu)	Sigma Aldrich	919977
Siatka TEM typu mesh	Pelco	1GC200
Mikroskop	JEOL	F200
Separatory polipropylenowe	Celgard	3501
Detektor oparty na scyntylatorze	Gatan Oneview