Caracterização em nanoescala de interfaces líquidas sólidas acoplando fresagem de feixe de íons focada em crio-focal com microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia

Summary

As técnicas de Feixe de Íons Focados Criogênicos (FIB) e Microscopia eletrônica de varredura (SEM) podem fornecer insights-chave sobre a química e a morfologia de interfaces de líquido sólido intacto. Os métodos para preparar mapas espectroscópicos de raios-X dispersivos de alta qualidade (EDX) de tais interfaces são detalhados, com foco em dispositivos de armazenamento de energia.

Abstract

Processos físicos e químicos em interfaces de líquido sólido desempenham um papel crucial em muitos fenômenos naturais e tecnológicos, incluindo catálise, energia solar e geração de combustível, e armazenamento de energia eletroquímica. A caracterização em nanoescala de tais interfaces foi recentemente alcançada usando microscopia eletrônica criogênica, fornecendo assim um novo caminho para avançar nossa compreensão fundamental dos processos de interface.

Esta contribuição fornece um guia prático para mapear a estrutura e a química das interfaces de sólido-líquido em materiais e dispositivos usando uma abordagem integrada de microscopia eletrônica criogênica. Nesta abordagem, emparelhamos a preparação de amostras criogênicas que permitem a estabilização de interfaces de líquido sólido com fresagem de íons criogênicos (crio-FIB) para criar seções transversais através dessas complexas estruturas enterradas. As técnicas de microscopia eletrônica de varredura criogênica (crio-SEM) realizadas em um FIB/SEM de feixe duplo permitem imagens diretas, bem como mapeamento químico na nanoescala. Discutimos desafios práticos, estratégias para superá-los, bem como protocolos para obtenção de resultados ideais. Embora nos concentremos em nossa discussão sobre interfaces em dispositivos de armazenamento de energia, os métodos descritos são amplamente aplicáveis a uma gama de campos onde a interface sólido-líquido desempenha um papel fundamental.

Introduction

As interfaces entre sólidos e líquidos desempenham um papel vital na função de materiais energéticos, como baterias, células de combustível e supercapacitores ^1,2,3. Ao mesmo tempo em que caracterizar a química e a morfologia dessas interfaces poderia desempenhar um papel central na melhoria dos dispositivos funcionais, fazê-lo apresentou um desafio substancial ^1,3,4. Os líquidos são incompatíveis com os ambientes de alto vácuo necessários para muitas técnicas comuns de caracterizaçã....

Protocol

1. Prepare a amostra e transfira para a câmara SEM

1. Configure o microscópio
   1. Para sistemas que se convertem entre temperatura ambiente e equipamentos criogênicos, instale o estágio crio-SEM e o anticontratendidor de acordo com as instruções do fabricante do equipamento e evacue a câmara SEM.
   2. Ajuste a fonte de platina do sistema de injeção de gás (SIG) de modo que, quando inserido, fique aproximadamente 5 mm mais longe da superfície da amostra em comparação com os experimentos típicos de temperatura ambiente. Esta posição precisa ser otimizada para cada sistema para garantir o revestimento uniforme da superfície da amostra. Na FIB usada aqui,....

Results

Este método foi desenvolvido em um sistema FIB/SEM duplo equipado com um estágio criogênico comercialmente disponível, anticontaminador e câmara de preparação. Para mais detalhes, consulte a tabela de materiais. Testamos principalmente este método em baterias de lítio metálico com uma série de eletrólitos diferentes, mas o método é aplicável a qualquer interface de líquido sólido que suportará a quantidade de dose aplicada durante o mapeamento EDX.

A Figura 1 ilus.......

Discussion

O método de preparação criogênica descrito aqui é importante e deve ser feito corretamente para que a química e a morfologia sejam preservadas⁸. A maior preocupação é congelar a amostra rapidamente, pois é isso que permite que o líquido seja vitrificado⁸. Se a amostra esfriar muito lentamente, os líquidos podem cristalizar resultando em uma mudança na morfologia⁶. Para evitar a cristalização, o nitrogênio de lama é usado neste procedimento, pois redu.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Instrumentos		INCA EDS	Software de controle para X-max 80
PP3010T Sistema de criopreparação	Quorum Technologies, Inc.		Sistema de preparação criogênica FIB/SEM. Inclui estação de bombeamento, sistema de haste de transferência, câmara de preparação (preparação), estágios criogênicos, lançadeiras de amostras
Sistema Strata 400 DualBeam	FEI Co. (agora Thermo Fisher Scientific)		Detector FIB/SEM
X-Max 80	Oxford Instruments		80mm2 Detector EDX
xT Controle de Microscópio	FEI Co. (agora Thermo Fisher Scientific)		Software para controle FEI Strata