Name: Procedury kriogenicznej dyfrakcji nanowiązki w skaningowym mikroskopie elektronowym w charakterystyce strukturalnej wrażliwych na wiązkę interfejsów bateryjnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-10-01T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 21 s
Description: Poznaj protokół kriogenicznej dyfrakcji nanowiązki w celu analizy strukturalnej wrażliwych na wiązkę interfejsów bateryjnych. Metoda zachowuje natywny stan materiałów przy minimalnym uszkodzeniu elektronowym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

H.J.K. potwierdza wsparcie z Center for Functional Nanomaterials (CFN), który jest placówką badawczą Office of Science Departamentu Energii USA w Brookhaven National Laboratory na podstawie umowy nr DE-SC0012704. Praca była częściowo finansowana przez Narodową Fundację Nauki (NSF), Division of Materials Research (DMR), w ramach grantu Future Manufacturing Research #2134715. Praca ta była częściowo realizowana w Singh Center for Nanotechnology na Uniwersytecie Pensylwanii, który jest członkiem sieci National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI), wspieranej przez Narodową Fundację Nauki (Grant NNCI-2025608). Dodatkowe wsparcie dla Nanoscale Characterization Facility w Singh Center jest zapewniane przez NSF poprzez University of Pennsylvania Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) (DMR-2309043). H.J.K i E.A.S dziękują za wsparcie techniczne Saskii Mimietz-Oeckler z firmy Leica Microsystems.

<ol><li>Lin, D., Liu, Y., Cui, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reviving+the+lithium+metal+anode+for+high-energy+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries.</a> Nat Nanotechnol. 12 (3), 194-206 (2017).</li>
<li>Goodenough, J. B., Kim, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Challenges+for+rechargeable+Li+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Mater%22%5BJournal%5D)">Challenges for rechargeable Li batteries.</a> Chem Mater. 22 (3), 587-603 (2010).</li>
<li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unravelling+degradation+mechanisms+and+atomic+structure+of+organic-inorganic+halide+perovskites+by+cryo-EM%5BTitle%5D)+AND+%22Joule%22%5BJournal%5D)">Unravelling degradation mechanisms and atomic structure of organic-inorganic halide perovskites by cryo-EM.</a> Joule. 3 (11), 2854-2866 (2019).</li>
<li>Fearne, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFearne%2C+S+%22An+introduction+to+time-of-flight+secondary+ion+mass+spectrometry+%28ToF-SIMS%29+and+its+application+to+materials+science%22">An introduction to time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) and its application to materials science</a>. , IOP Publishing. (2015).</li>
<li>Ma, C., Xu, F., Song, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dual-layered+interfacial+evolution+of+lithium+metal+anode%3A+SEI+analysis+via+TOF-SIMS+technology%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Mater+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Dual-layered interfacial evolution of lithium metal anode: SEI analysis via TOF-SIMS technology.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 14 (17), 20197-20207 (2022).</li>
<li>Huang, W., Wang, H., Boyle, D. T., Li, Y., Cui, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resolving+nanoscopic+and+mesoscopic+heterogeneity+of+fluorinated+species+in+battery+solid-electrolyte+interphases+by+cryogenic+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Energy+Lett%22%5BJournal%5D)">Resolving nanoscopic and mesoscopic heterogeneity of fluorinated species in battery solid-electrolyte interphases by cryogenic electron microscopy.</a> ACS Energy Lett. 5 (4), 1128-1135 (2020).</li>
<li>Gao, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((LiF+artifacts+in+XPS+analysis+of+the+SEI+for+lithium+metal+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Mater+Interfaces%22%5BJournal%5D)">LiF artifacts in XPS analysis of the SEI for lithium metal batteries.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 17 (5), 8513-8525 (2025).</li>
<li>Zachman, M. J., Tu, Z., Choudhury, S., Archer, L. A., Kourkoutis, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cryo-STEM+mapping+of+solid-liquid+interfaces+and+dendrites+in+lithium-metal+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Cryo-STEM mapping of solid-liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries.</a> Nature. 560 (7718), 345-349 (2018).</li>
<li>Koh, H., Das, S., Zhang, Y., Detsi, E., Stach, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+beam-induced+artifacts+in+SEI+characterization%3A+Evidence+from+controlled-dose+diffraction+studies%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Energy+Lett%22%5BJournal%5D)">Electron beam-induced artifacts in SEI characterization: Evidence from controlled-dose diffraction studies.</a> ACS Energy Lett. 10, 534-540 (2025).</li>
<li>Koh, H., Detsi, E., Stach, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+order+and+disorder+in+solid-electrolyte+interphases+of+lithium-metal+anodes%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Energy+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of order and disorder in solid-electrolyte interphases of lithium-metal anodes.</a> ACS Energy Lett. 10 (9), 4361-4368 (2025).</li>
<li>Zuo, J. -M., Tao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+electron+nanodiffraction+and+diffraction+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Scanning+Transmission+Electron+Microscopy%3A+Imaging+and+Analysis%22%5BJournal%5D)">Scanning electron nanodiffraction and diffraction imaging.</a> Scanning Transmission Electron Microscopy: Imaging and Analysis. , 393-427 (2011).</li>
<li>Bustillo, K. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D-STEM+of+beam-sensitive+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Acc+Chem+Res%22%5BJournal%5D)">4D-STEM of beam-sensitive materials.</a> Acc Chem Res. 54 (11), 2543-2551 (2021).</li>
<li>Voyles, P. M., Muller, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluctuation+microscopy+in+the+STEM%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Fluctuation microscopy in the STEM.</a> Ultramicroscopy. 93 (2), 147-159 (2002).</li>
<li>Yousaf, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visualization+of+battery+materials+and+their+interfaces%2Finterphases+using+cryogenic+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Mater+Today%22%5BJournal%5D)">Visualization of battery materials and their interfaces/interphases using cryogenic electron microscopy.</a> Mater Today. 58, 238-274 (2022).</li>
<li>Wang, X., Li, Y., Meng, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cryogenic+electron+microscopy+for+characterizing+and+diagnosing+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Joule%22%5BJournal%5D)">Cryogenic electron microscopy for characterizing and diagnosing batteries.</a> Joule. 2 (11), 2225-2234 (2018).</li>
<li>Zachman, M. J., Asenath-Smith, E., Estroff, L. A., Kourkoutis, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-specific+preparation+of+intact+solid-liquid+interfaces+by+label-free+in+situ+localization+and+cryo-focused+ion+beam+lift-out%5BTitle%5D)+AND+%22Microsc+Microanal%22%5BJournal%5D)">Site-specific preparation of intact solid-liquid interfaces by label-free in situ localization and cryo-focused ion beam lift-out.</a> Microsc Microanal. 22 (6), 1338-1349 (2016).</li>
<li>Koh, H., Detsi, E., Stach, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+ion-beam+damage+to+air-sensitive+lithium+metal+with+cryogenic+electron+and+ion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Microsc+Microanal%22%5BJournal%5D)">Understanding ion-beam damage to air-sensitive lithium metal with cryogenic electron and ion microscopy.</a> Microsc Microanal. 29 (4), 1350-1356 (2023).</li>
<li>Creekmore, B. C., Kixmoeller, K., Black, B. E., Lee, E. B., Chang, Y. -W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrastructure+of+human+brain+tissue+vitrified+from+autopsy+revealed+by+cryo-ET+with+cryo-plasma+FIB+milling%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Ultrastructure of human brain tissue vitrified from autopsy revealed by cryo-ET with cryo-plasma FIB milling.</a> Nat Commun. 15 (1), 2660(2024).</li>
<li>Parmenter, C. D., Nizamudeen, Z. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cryo-FIB-lift-out%3A+Practically+impossible+to+practical+reality%5BTitle%5D)+AND+%22J+Microsc%22%5BJournal%5D)">Cryo-FIB-lift-out: Practically impossible to practical reality.</a> J Microsc. 281 (2), 157-174 (2021).</li>
<li>Schaffer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+cryo-FIB+lift-out+technique+enables+molecular-resolution+cryo-ET+within+native+Caenorhabditis+elegans+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Methods%22%5BJournal%5D)">A cryo-FIB lift-out technique enables molecular-resolution cryo-ET within native Caenorhabditis elegans tissue.</a> Nat Methods. 16 (8), 757-762 (2019).</li>
<li>Savitzky, B. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((py4DSTEM%3A+A+software+package+for+four-dimensional+scanning+transmission+electron+microscopy+data+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Microsc+Microanal%22%5BJournal%5D)">py4DSTEM: A software package for four-dimensional scanning transmission electron microscopy data analysis.</a> Microsc Microanal. 27 (4), 712-743 (2021).</li>
<li>Cautaerts, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((flexible+and+fast%3A+Orientation+mapping+using+the+multi-core+and+GPU-accelerated+template+matching+capabilities+in+the+Python-based+open+source+4D-STEM+analysis+toolbox+Pyxem%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">flexible and fast: Orientation mapping using the multi-core and GPU-accelerated template matching capabilities in the Python-based open source 4D-STEM analysis toolbox Pyxem.</a> Ultramicroscopy. 237, 113517(2022).</li>
<li>Kourkoutis, L. F., Parker, M. K., Vaithyanathan, V., Schlom, D. G., Muller, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+measurement+of+electron+channeling+in+a+crystal+using+scanning+transmission+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+B%22%5BJournal%5D)">Direct measurement of electron channeling in a crystal using scanning transmission electron microscopy.</a> Phys Rev B. 84 (7), 075485(2011).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych. Jeden ze współautorów jest pracownikiem firmy Leica Microsystems. Firma Leica Microsystems nie miała wpływu na projekt badania, gromadzenie danych, analizę ani interpretację.

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&#160;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⁻/Å2·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.

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 SEI3,8. 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 wiązką9,10. 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 skanowania11,12. 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 HRTEM10,13. 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.

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

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

Cryogenic Scanning Electron Nanobeam Diffraction Workflows for Structural Characterization of Beam-Sensitive Battery Interfaces

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.

Rysunek 1&#160;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.
<img alt="Rycina 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/70455/70455fig1.jpg" /> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/70455/70455fig1large.jpg" target="_blank">Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
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&#160; 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 badaniach3,15,17 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.
<img alt="Rysunek 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/70455/70455fig2.jpg" /> 
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 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/70455/70455fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
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,&#160;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.
<img alt="Rycina 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/70455/70455fig3.jpg" /> 
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&#160;electron microscopy z wysokokątowym ciemnym polem pierścieniowym. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/70455/70455fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
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-/Å2, 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-/Å2. W przeciwieństwie do tego, dawka krytyczna dla elektrolitów o stężeniu 1 M wynosiła około 1000 e-/Å2.
<img alt="Rysunek 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/70455/70455fig4.jpg" /> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/70455/70455fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

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.

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

Obserwacja granic faz w akumulatorach jest kluczowa, ponieważ kontrolują one transport elektronów i jonów oraz wpływają na procesy elektrochemiczne w magazynach energii.

cryogenic-scanning-electron-nanobeam-diffraction-workflows-for

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Spektroskopia pojemnościowa pojedynczego elektronu z sondą skanującą ułatwia badanie ruchu pojedynczego elektronu w zlokalizowanych obszarach podpowierzchniowych. Czuły obwód wykrywania ładunku jest wbudowany w kriogeniczny mikroskop skanujący w celu zbadania małych układów domieszek atomów pod powierzchnią próbek półprzewodnikowych.

Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

Opracowana została technika, która usuwa kontaktowe warstwy metalowe Ni/Au z ich podłoża, aby umożliwić zbadanie i scharakteryzowanie interfejsów kontakt/podłoże i kontakt/NW pojedynczych urządzeń nanoprzewodowych GaN.

Analiza interfejsów stykowych dla urządzeń z pojedynczym gazem nanoprzewodowym

Opisano zastosowanie obrazowania kontrastowego z kanałem elektronowym w skaningowym mikroskopie elektronowym do charakteryzowania defektów w cienkich warstwach heteroekspeksjalnych III-V/Si. Metoda ta daje podobne wyniki do transmisyjnej mikroskopii elektronowej w widoku planowym, ale w znacznie krótszym czasie ze względu na brak wymaganego przygotowania próbki.

Obrazowanie kontrastowe z kanałem elektronowym do szybkiej charakterystyki heteroepitaksjalnej III-V

Opisana jest prosta procedura ultradźwiękowego zgrzewania próbek z kompozytu termoplastycznego do podstawowych testów mechanicznych. Kluczowymi cechami tego procesu spawania ultradźwiękowego są zastosowanie płaskich rozdzielaczy energii w celu uproszczenia przygotowania procesu oraz wykorzystanie danych procesowych do szybkiego zdefiniowania optymalnych warunków obróbki.

Zgrzewanie ultradźwiękowe termoplastycznych kompozytów kompozytowych do mechanicznej charakterystyki połączeń spawanych poprzez badanie ścinaniem na pojedyncze zakładki

Przedstawiono tutaj protokół badań elektrochemicznych akumulatora aprotycznego Li-O2 z przygotowaniem elektrod i elektrolitów oraz wprowadzeniem często stosowanych metod charakteryzacji.

Protokół badania elektrochemicznego i charakterystyka akumulatora Aprotic Li-O2

Optyczne, elektryczne i strukturalne właściwości dyslokacji i granic ziaren w materiałach półprzewodnikowych można określić za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Mikroskopia elektronowa została wykorzystana do zbadania katodoluminescencji, prądu indukowanego wiązką elektronów i dyfrakcji elektronów rozproszonych wstecznie.

Kompleksowa charakterystyka rozszerzonych defektów w materiałach półprzewodnikowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

Przedstawiono metodę elektrochemicznego wytrawiania końcówek emisji pola. Scharakteryzowano parametry trawienia oraz badano działanie końcówek w trybie emisji polowej.

Trawienie elektrochemiczne i charakterystyka punktów emisji ostrego pola dla jonizacji uderzeniowej elektronów

Ten protokół opisuje działanie uchwytu na próbki przepływu cieczy do skanowania transmisyjnej mikroskopii elektronowej AuNPs w wodzie, używanej do obserwacji dynamicznych procesów w nanoskali.

Badanie procesów dynamicznych nano-rozmiarów obiektów w cieczy za pomocą skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej

Niskociśnieniowa skaningowa mikroskopia elektronowa w otoczeniu pary wodnej jest używana do obróbki cech nanoskali do mikroskali w lasach nanorurek węglowych.

Precyzyjne mielenie lasów nanorurek węglowych przy użyciu niskociśnieniowej skaningowej mikroskopii elektronowej

Poznaj protokół kriogenicznej dyfrakcji nanowiązki w celu analizy strukturalnej wrażliwych na wiązkę interfejsów bateryjnych. Metoda zachowuje natywny stan materiałów przy minimalnym uszkodzeniu elektronowym.

Procedury kriogenicznej dyfrakcji nanowiązki w skaningowym mikroskopie elektronowym w charakterystyce strukturalnej wrażliwych na wiązkę interfejsów bateryjnych (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów