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

O método crio-SEM e FIB pode ser usado para estudar interfaces de líquido sólido e amostras biológicas, preservando a estrutura nativa das amostras. A principal vantagem desta técnica é que o crio-SEM permite que o usuário teste rapidamente a interface de dispositivos macroscópicos como eletrodos de bateria de células de moeda com dezenas de nanômetros de resolução. Comece instalando um estágio crio-SEM e um anticontaminador.

Evacuar a câmara SEM e ajustar o sistema de injeção de gás, GIS, fonte de platina para que, quando inserido, a fonte fique aproximadamente cinco milímetros de distância da superfície da amostra. Defina a temperatura do GIS para 28 graus Celsius e abra o obturador para desoperar o sistema por 30 segundos para limpar qualquer excesso de material. Em seguida, permita que a câmara SEM evacue por um mínimo de oito horas.

No final do período de evacuação, defina os estágios de microscópio e preparação para menos 175 graus Celsius e coloque o anticontaminador a menos 192 graus Celsius. Para vitrifar a amostra, regise sequencialmente o volume principal do slusher de nitrogênio duplo pote e o volume circundante com nitrogênio líquido até que o nitrogênio líquido pare de borbulhar. Sele o slusher preenchido com a tampa e inicie a bomba de lama.

Quando o nitrogênio líquido começar a se solidificar, comece a ventilar o pote de lama. Uma vez que a pressão é alta o suficiente para permitir que a panela seja aberta, rapidamente, mas suavemente coloque a amostra no nitrogênio. Quando a ebulição cessar em torno da amostra, use uma haste de transferência pré-resfriada para transferir a amostra para a câmara de vácuo de uma nave semi-resfriada antes do nitrogênio começar a congelar.

Transfira rapidamente a nave auxiliar para a câmara de ar da câmara de preparação e bombeie no sistema de transferência. Se desejar, sputter cinco a 10 nanômetros de uma camada de ouro-paládio sobre a superfície da amostra para mitigar o carregamento. Em seguida, transfira a amostra o mais rápido e suavemente possível para o estágio do microscópio resfriado.

Para a imagem da superfície da amostra, primeira imagem a amostra em uma ampliação de 100 X. Em seguida, leve a amostra a uma altura aproximadamente eucêntrica e adquira uma segunda imagem de baixa ampliação. Selecione uma região de teste de sacrifício dentro do líquido vitrificado e identifique quaisquer problemas potenciais que possam estar presentes devido a danos ou carregamentos do feixe.

Pesquise a amostra para as regiões de interesse. Quando uma região for identificada, incline a amostra para que a superfície seja normal à direção da agulha GIS de platina e insira a agulha GIS. Aqueça a superfície a 28 graus Celsius e abra a válvula por aproximadamente 2,5 minutos antes de retirar a fonte.

Incline o transporte de amostra em direção à fonte focal do feixe de íons e exponha a platina organo-metálica a um feixe de íons de 30 quilovolt a 2,8 nanoamps e uma ampliação de 800 X por 30 segundos. Em seguida, imagem a superfície da amostra com o feixe de elétrons para verificar se a superfície é lisa e não tem qualquer sinal de carregamento. Para preparar uma seção transversal, primeiro use o feixe de íons a 30 kilovolts e uma corrente de fresagem a granel inferior de aproximadamente 2,8 nanoamps para adquirir um instantâneo da superfície da amostra.

Identifique a característica de interesse e meça a colocação áspera da seção transversal. Para criar uma janela lateral para os raios-X, desenhe uma seção transversal regular girada 90 graus em relação a onde a trincheira estará e coloque a janela lateral com uma borda aproximadamente alinhada com a seção transversal final desejada. Redimensione o padrão girado para maximizar o número de raios-X para sair da superfície da seção transversal.

Use uma corrente alta para criar uma seção transversal regular apenas grande o suficiente para revelar a característica de interesse e usar o feixe de íons a 30 kilovolts e a corrente de interesse para adquirir instantâneo da superfície da amostra. Identifique a característica de interesse e finalize a colocação da trincheira. A trincheira deve se estender por ambos os lados da característica de interesse por alguns mícrons.

Confirme que há um micrômetro de material entre a borda da trincheira e a seção transversal final desejada e use a aplicação de fresagem para definir a profundidade Z em dois micrômetros, pausando regularmente o processo de fresagem para imagem da seção transversal com o feixe de elétrons conforme necessário. Quando a trincheira é muito mais profunda do que a característica de interesse, observe a quantidade de tempo necessária para criar a trincheira áspera para guiar a profundidade. Para criar uma seção transversal final e limpa, baixe a corrente do feixe de íons para aproximadamente 0,92 nanoamps e imagem da superfície da amostra.

Depois de verificar a localização do recurso de interesse, use o software de feixe de íons focado para desenhar uma seção transversal de limpeza e sobrepor a janela de limpeza com a trincheira pré-feita por pelo menos um micrômetro para ajudar a mitigar a reposição. Em seguida, use o tempo necessário para criar a trincheira para definir o valor de profundidade Z. Para o mapeamento edx, selecione as condições adequadas do feixe para a amostra e oriente a amostra para maximizar a contagem de raios-X.

Insira o detector EDX e defina o tempo de processo adequado. No software do detector, abra a configuração do microscópio e inicie a imagem do feixe de elétrons. Clique em Bater registro para medir a taxa de contagem e o tempo morto.

Se o tempo morto precisar ser ajustado, altere a constante de tempo EDX. Uma vez estabelecidas as condições do detector, colete a imagem do feixe de elétrons e abra a configuração da imagem para selecionar a profundidade de bit e a resolução da imagem. Selecione a resolução do mapa de raios-X, o alcance do espectro, o número de canais e o tempo de moradia do mapa.

O alcance de energia pode ser tão baixo quanto a energia do feixe usada. Em seguida, no software EDX, selecione a área para mapear. Quando o mapa estiver completo, salve o mapa como um cubo de dados.

Estas imagens de papel alumínio nu moído a 25 e menos 165 graus Celsius destacam como o resfriamento às temperaturas criogênicas pode ajudar a preservar amostras durante a fresagem focalada do feixe de íons. Para os experimentos edx, a geometria de fresagem de feixe de íons focalada deve ser otimizada e a posição do detector EDX deve ser levada em conta. Aqui, pode-se observar a diferença entre uma amostra crio-imobilizada bem preparada, tanto usando a bateria de lítio metálico como exemplo.

Embora ambas as amostras tenham sido nominalmente preparadas de acordo com o mesmo procedimento, uma breve exposição ao ar provavelmente resultou nas reações superficiais observadas na amostra mal preparada. Mapear um depósito de lítio em 1, 3-dioxolane, 1, 2-dimetoxietano com condições não ideais resulta em variações de contraste, provavelmente uma indicação de uma interface inicialmente bem preservada que é perdida devido a danos causados pela radiação durante o mapeamento. Em contraste, este mapa de lítio morto embutido em eletrólito vitrificado e o substrato de lítio abaixo foi realizado em dois kilovolts e 0,84 nanoamps, preservando a morfologia da superfície da amostra.

Embora alguns danos ainda sejam visíveis após o mapeamento, a extensão dos danos é substancialmente reduzida. Nesta análise, foi utilizado mapeamento EDX para localizar nanopartículas de óxido de ferro cultivadas em um hidrogel de sílica. Grandes varreduras de campo de visão permitiram a identificação de regiões de interesse, enquanto varreduras mais localizadas foram utilizadas para fresagem específica do local.

O carregamento de amostras pode ser prejudicial para o sucesso deste procedimento. Lembre-se de baixar as correntes de feixe e os tempos de moradia conforme necessário para limitar os efeitos do carregamento. Depois disso, um levantamento crio-FIB pode ser realizado para preparar uma lamella específica do local para análise tem.

As amostras podem ser imagens em resolução sub-angstrom e mapear a distribuição química usando EELS e EDX em um instrumento TEM.