Name: Caracterização em nanoescala de interfaces líquidas sólidas acoplando fresagem de feixe de íons focada em crio-focal com microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-14T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 3 s
Description: Aprenda a caracterizar interfaces líquido-sólido em nanoescala usando microscopia eletrônica de varredura criogênica e fresagem de feixe de íons focada. Este método preserva a estrutura nativa de amostras biológicas e dispositivos de armazenamento de energia.

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Reconhecemos muito as contribuições de Shuang-Yan Lang e Héctor D. Abruña que forneceram amostras para nossa pesquisa. Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (NSF) (DMR-1654596) e fez uso do Cornell Center for Materials Research Facilities apoiado pela NSF sob o Número de Prêmio DMR-1719875.

1. Prepare a amostra e transfira para a câmara SEM
<ol><li>Configure o microscópio<ol>
<li>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.</li>
		<li>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, isso é feito afrouxando um parafuso definido na lateral da fonte GIS e girando a coleira 3 voltas no sentido horário.</li>
		<li>Coloque a temperatura do SIG para 28 °C, abra o obturador e desfocar por 30 s a esta temperatura para limpar o excesso de material. Faça isso à temperatura ambiente, pois o organometallic irá cobrir qualquer superfície fria.</li>
		<li>Mova o palco para a posição adequada para o carregamento do transporte amostral da câmara de preparação para o SEM (isso variará de acordo com o sistema).</li>
		<li>Permita que a câmara SEM evacue por um mínimo de 8h, para estabelecer um vácuo baixo o suficiente (tipicamente cerca de 4E-6 Torr) para minimizar a contaminação do gelo durante o experimento.</li>
	</ol></li>
	<li>Montar a estação de preparação criogênica<ol>
<li>Evacuar as linhas isoladas de vácuo por 8h antes do uso.</li>
		<li>Antes de resfriar o microscópio, flua gás nitrogênio seco através das linhas de gás por cerca de 15 minutos. Isso deve ser feito a aproximadamente 5 L/min, ou a taxa máxima de fluxo do sistema. Isso tira a umidade do sistema para mitigar a formação de gelo nas linhas no resfriamento, o que pode impedir o fluxo de gás.</li>
		<li>Enquanto ainda flui gás na taxa máxima de fluxo, feche a válvula para as linhas isoladas de vácuo, em seguida, transfira o trocador de calor para o nitrogênio líquido Dewar.</li>
		<li>Coloque a temperatura do SEM e os estágios de preparação para -175 °C, e a temperatura dos anticontaminadores para -192 °C. Aguarde até que todos os elementos tenham atingido a temperatura definida para prosseguir.</li>
	</ol></li>
	<li>Vitrify a amostra.<ol>
<li>Encha o nitrogênio duplo pote slusher. Comece preenchendo o volume principal da panela, depois encha o volume ao seu redor para reduzir a borbulha de nitrogênio. Continue adicionando mais nitrogênio líquido a cada um, conforme necessário, até que a ebulição pare.</li>
		<li>Sele o slusher com a tampa e ligue a bomba de lama. Continue bombeando até que o nitrogênio líquido comece a se solidificar.</li>
		<li>Comece a ventilar o pote de lama. Para materiais sensíveis ao ar, como baterias de lítio, este é um bom momento para preparar a amostra para o congelamento de mergulho.</li>
		<li>Uma vez que a pressão é alta o suficiente para permitir que a panela seja aberta, rapidamente, mas suavemente, coloque a amostra no nitrogênio, e espere pelo menos até que a ebulição tenha cessado em torno da amostra para prosseguir. Remova todas as ferramentas do nitrogênio líquido neste momento para reduzir as chances de contaminação do gelo.</li>
		<li>Se o pote de lama estiver menos da metade cheio, adicione mais nitrogênio líquido.</li>
		<li>Transfira a amostra para a nave sem. Coloque todas as ferramentas necessárias para proteger ou transferir a amostra no pote de nitrogênio líquido e deixe esfriar totalmente, ou seja, espere no mínimo até que a LN2 pare de ferver em torno de cada ferramenta, antes de tocar na amostra ou no transporte. A exposição prolongada à atmosfera, especialmente quando úmida, pode fazer com que cristais de gelo se formem no nitrogênio líquido, por isso é melhor fazer este passo rapidamente.</li>
		<li>Anexe a nave auxiliar à haste de transferência. Como em outras ferramentas, pré-esfrie a extremidade da haste na LN2 antes de tocar na nave auxiliar.</li>
		<li>Bombeie o pote de lama e observe a pressão. Retire a amostra do nitrogênio líquido e sele-a na câmara de vácuo do sistema de transferência pouco antes do nitrogênio começar a congelar. Normalmente, isso pode ser feito levantando a nave auxiliar quando a pressão é ~8 mbar.</li>
		<li>Transfira rapidamente para a câmara de ar da câmara de preparação e bombeie no sistema de transferência. Abra a câmara de vácuo do sistema de transferência assim que a pressão da câmara de ar estiver baixa o suficiente para que isso seja feito sem muita força.</li>
		<li>Uma vez que a câmara de preparação possa ser aberta, transfira rapidamente o transporte de amostra para a câmara e coloque no estágio de preparação resfriado. Retire a haste de transferência e feche a porta da câmara de ar.</li>
		<li>Neste ponto, uma camada de ouro-paládio de ~5-10 nm pode ser espaçada na superfície da amostra para mitigar o carregamento. Os valores iniciais típicos são de 10 mA para 10 s, embora esses parâmetros devem ser ajustados para cada sistema. Alternativamente, pode-se imaginar a superfície não revestida, avaliar a extensão do carregamento e transferir de volta para a câmara de preparação para sputter coat.</li>
		<li>Reassuça a câmara de ar, conecte a haste de transferência e espere 1 min até o final da haste esfriar. Em seguida, abra a válvula para a câmara sem principal e transfira o transporte amostral o mais rápido e suavemente possível para o estágio SEM resfriado. Retire a haste de transferência e armazene-a sob vácuo para evitar a contaminação do gelo caso seja necessária novamente. ATENÇÃO: O nitrogênio líquido pode causar ferimentos se exposto à pele. Manuseie com cuidado enquanto usa o equipamento de proteção individual apropriado. Não coloque em um recipiente selado, pois a evaporação pode causar acúmulo de pressão.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Imagem a superfície da amostra e localizar características
NOTA: O tempo necessário para configurar para iniciar a imagem geralmente é suficiente para permitir que a amostra atinja o equilíbrio térmico no estágio crio-palco, especialmente se ambos os estágios na câmara de preparação e na câmara SEM forem resfriados à mesma temperatura e o tempo de transferência do transporte de um estágio para o outro for minimizado.
<ol><li>Defina os parâmetros do feixe antes da imagem, começando com uma tensão moderada (~5 kV) e corrente moderada (~0,4 nA). Para amostras especialmente delicadas, os usuários podem querer reduzir esses valores, e amostras mais robustas podem tolerar maior tensão e corrente.</li>
	<li>Imagem a superfície a partir de baixa ampliação (100x), foque e faça quaisquer etapas exigidas pelo instrumento. Por exemplo, no usuário FIB aqui, a distância de trabalho medida deve estar vinculada à posição do palco. Avalie a amostra para alterações no contraste ou forma antes de se concentrar em ampliações mais altas para reduzir o carregamento.</li>
	<li>Leve a amostra a uma altura aproximadamente eucêntrica e pegue outra imagem de ampliação relativamente baixa (100-200x).</li>
	<li>Selecione uma região de teste de sacrifício com o líquido vitrificado e identifique possíveis problemas devido a danos ou carregamentos do feixe. Comece a imagem a 100x de ampliação para 5 s, depois aumente a ampliação para cerca de 1.000x e imagem para outros 5 s, depois reduza a ampliação para 100x, colete uma imagem e pause o feixe. Se a região exposta à alta ampliação tiver alterado o contraste, a amostra pode estar danificando ou carregando, e os usuários devem considerar novamente ajustar os parâmetros do feixe ou re-sputter revestimento. Para um procedimento mais detalhado, consulte a referência18.</li>
	<li>Pesquise a amostra para as regiões de interesse. Este processo vai variar consideravelmente de acordo com a amostra e pode exigir alguma experimentação. Características que se estendem significativamente acima da superfície circundante provavelmente farão com que o líquido vitrificado seja igualmente elevado, enquanto outras características podem ser ocultas.<ol>
<li>Se os recursos de interesse não puderem ser localizados, um mapa EDX pode ajudar. Com a amostra ainda orientada normalmente para o feixe de elétrons, siga o procedimento de mapeamento EDX descrito na etapa 4.</li>
	</ol>
</li>
	<li>À medida que as características de interesse estão localizadas, salve imagens de baixa e alta ampliação da superfície, bem como a posição do palco.</li>
	<li>Repita para localizar quantos locais desejarem.</li>
	<li>Selecione uma região para imagem primeiro e alinhe essa área à altura eucêntrica seguindo o protocolo do instrumento.</li>
	<li>Incline a amostra para que a superfície seja normal à direção da agulha GIS de platina e insira a agulha GIS. Aqueça-o a 28 °C e abra a válvula por ~2,5 min, depois retraia a fonte. Isso deve produzir uma camada uniforme de platina organometállica nãocurada, e o usuário pode imagem brevemente da superfície da amostra para confirmar até mesmo a cobertura. O tempo de deposição variará entre os instrumentos e deve ser ajustado para garantir uma camada uniforme de 1-2 μm de espessura.</li>
	<li>Incline a amostra para a fonte FIB e exponha a platina organometálica a um feixe de íons de íons de 30 kV a 2,8 nA, ampliação de 800x para 30 s. Imagem com o feixe de elétrons para verificar se a superfície é lisa e não tem sinais de carregamento.</li>
</ol>3. Prepare seções transversais
<ol><li>Tire um instantâneo da superfície da amostra usando o feixe de íons a 30kV e uma corrente de fresagem a granel mais baixa (~2,8 nA), identifique o recurso de interesse e meça a colocação aproximada da seção transversal. As trincheiras moídas usando cerca de 2,8 nA podem ser colocadas a 1 μm de distância da seção transversal final e devem se estender por ambos os lados da característica de interesse por alguns mícrons. As janelas laterais (ver 3.2) devem ser colocadas com uma borda aproximadamente alinhada com a seção transversal final desejada.</li>
	<li>Crie uma janela lateral para raios-x antes de frear as trincheiras principais para reduzir a redeposição.<ol>
<li>Desenhe uma Seção Transversal regular girada em 90° em relação a onde a trincheira estará. A orientação dependerá da configuração de cada detector EDX; colocar a extremidade rasa desta trincheira em direção ao detector EDX. No software de instrumento utilizado aqui, essa rotação é feita clicando na guia Advanced para o padrão e entrando em um ângulo de rotação, medido no sentido anti-horário.</li>
		<li>Redimensione o padrão giratório para maximizar o número de raios-x para sair da superfície da seção transversal, nominalmente 10 μm quadrado. O tamanho dependerá da geometria do detector, e muitas vezes janelas menores serão suficientes. Os usuários podem agilizar o procedimento determinando o tamanho mínimo desta trincheira.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Crie uma Seção Transversal regular apenas grande o suficiente para revelar a característica de interesse. Isso pode ser feito rapidamente usando uma corrente alta (~2,8 nA) para criar uma trincheira, baixando a corrente para limpar ou mais lentamente trabalhando apenas em uma corrente inferior (~0,92 nA).<ol>
<li>Tire um instantâneo da superfície da amostra usando o feixe de íons a 30 kV e a corrente desejada (consulte Discussão para seleção da corrente). Identifique a característica de interesse e finalize a colocação da trincheira feita em 3.1<ol>
<li>As dimensões da trincheira variam de acordo com a amostra, mas um tamanho típico é de 25 μm x 20 μm. Ambas as dimensões devem ser grandes o suficiente para permitir que toda a característica de interesse seja visível; x determinará a largura da seção transversal, enquanto y limitará o quão longe para baixo na trincheira o feixe de elétrons pode ver. Certifique-se de que há 1 μm de material deixado entre a borda desta trincheira e a seção transversal final desejada.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Defina a profundidade z para 2 μm com o aplicativo de fresagem definido para silício e comece a frear usando o software, mas pausa regularmente o processo e a imagem da seção transversal usando o feixe de elétrons, em seguida, retomar a fresagem conforme necessário.</li>
		<li>Repita este processo até que a trincheira seja muito mais profunda do que a característica de interesse, tipicamente de 10 a 20 μm de profundidade. Amostras contendo múltiplos materiais muitas vezes terão tempos de fresagem altamente variáveis e podem precisar de mais ou menos tempo do que a configuração de profundidade de 1 μm estimará. Registo o tempo necessário para criar a trincheira áspera para guiar a profundidade usada em 3.4.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Crie uma seção transversal limpa final<ol>
<li>Abaixe a corrente do feixe de íons para aproximadamente 0,92 nA e tire uma foto. Verifique a localização do recurso de interesse: se a etapa 3.1.3 foi feita corretamente, haverá cerca de 1 μm de material restante a ser fresado.</li>
		<li>Desenhe uma seção transversal de limpeza usando o software FIB. Sobreponha esta janela de limpeza com a trincheira pré-feita por pelo menos 1 μm para ajudar a mitigar a redeposição.</li>
		<li>Defina a profundidade z, usando as observações da etapa 3.3.3 para determinar o valor. Por exemplo, se metade do tempo foi usada em uma profundidade de 1 μm, reetilesse a profundidade para 0,5 μm.</li>
		<li>Deixe a seção transversal de limpeza funcionar ininterruptamente. Quando terminar, imagem a seção transversal limpa usando o feixe de elétrons.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Realize o mapeamento EDX 
<ol><li>Selecione as condições de feixe apropriadas para a amostra (consulte Discussão para obter detalhes)</li>
	<li>Oriente a amostra para maximizar a contagem de raios-X. Cada instrumento terá uma altura de trabalho ideal para EDX; garantir que a característica de interesse esteja nesta altura. Incline tal forma que o feixe de elétrons incidente seja o mais próximo possível do normal da superfície de interesse.</li>
	<li>Insira o detector EDX e determine o tempo de processo adequado. Para amostras altamente sensíveis ao feixe, pode ser necessário testar essas condições em uma região sacrificial da amostra antes de mapear o local de interesse.<ol>
<li>No software do detector, vá para a configuração do microscópio e inicie a imagem do feixe de elétrons, em seguida, aperte o registro. Isso vai medir a taxa de contagem e o tempo morto.</li>
		<li>Regisso tanto o tempo médio morto quanto a taxa de contagem. O tempo morto ideal vai variar entre os detectores, mas para o Oxford X-max 80 valores típicos variam entre 15-25. Valores mais baixos darão melhor resolução, e valores mais elevados correspondem a taxas de contagem mais altas.</li>
		<li>Se o tempo morto precisar ser ajustado, altere a constante de tempo EDX (também conhecida como Tempo de Processo). Um tempo de processo mais baixo dará um tempo de baixa hora de morte, e vice-versa. Repita até que o tempo morto esteja no intervalo desejado.</li>
		<li>Confirme que a taxa de contagem é razoável. Taxas de contagem mais baixas (1.000 contagens/s e inferiores) exigirão tempos de aquisição mais longos, o que aumenta a probabilidade de que os mapas sejam distorcidos por deriva de amostra. Se a taxa de contagem for muito baixa, considere aumentar a corrente do feixe e a tensão, ou aumentar o tempo de processo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Uma vez estabelecidas as condições do detector, colete a imagem do feixe de elétrons.<ol>
<li>Vá para Configuração de imagem e selecione a profundidade de bits e resolução de imagem, tipicamente 8 bits e 512 x 448 ou 1024 x 896.</li>
		<li>Ajuste as condições de imagem para o software EDX. Muitas vezes as condições de imagem são calibradas de forma diferente no software EDX do que no próprio software do SEM, e ampliação, brilho e contraste precisarão ser ajustados de acordo. No INCA aperte o botão de gravação no site da janela de juros, ajuste a imagem conforme necessário e, em seguida, grave outra imagem, iterando conforme necessário.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ajuste a configuração de mapeamento no software EDX.<ol>
<li>Selecione a resolução do Mapa de Raios-X, Alcance de Espectro, Número de Canais e o Hora do Habit do Mapa. A resolução do mapa EDX deve ser menor do que a imagem eletrônica (tipicamente 256 x 224), e a faixa de energia pode ser tão baixa quanto a energia do feixe utilizada. Normalmente, o número máximo de canais é usado, e o tempo de moradia é definido para 400 μs.</li>
		<li>No software EDX, selecione a área para mapear. Isso pode ser feito selecionando todo o campo de visão, ou selecionando uma região menor na imagem do feixe de elétrons que pode acelerar o processo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Comece a adquirir o mapa EDX. Permita que isso seja executado até que um número suficiente de contagens sejam coletadas (veja a discussão abaixo). Na janela de mapas elementares, mapas pré-processados são exibidos e, se os recursos começarem a desfocar durante esse processo, é um sinal de que a amostra está à deriva ou sendo danificada. Neste caso, considere parar o mapa e usar o software SEM para determinar o problema.</li>
	<li>Quando o mapa estiver completo, salve o mapa EDX como um cubo de dados, que é uma matriz 3D com um eixo para coordenadas espaciais na imagem, e um eixo para energia.</li>
</ol>

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<li>Koifman, N., Schnabel-Lubovsky, M., Talmon, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanostructure+formation+in+the+lecithin%2Fisooctane%2Fwater+system%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">Nanostructure formation in the lecithin/isooctane/water system.</a> The Journal of Physical Chemistry B. 117 (32), 9558-9567 (2013).</li>
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</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

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...

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 caracterização, como espectroscopia de fotomissão de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão2. Historicamente, a solução tem sido remover o líquido do dispositivo, mas isso vem às custas de estruturas delicadas potencialmente prejudiciais na interface 2,4 ou modificando a morfologia3. No caso das baterias, especialmente aquelas que empregam metais alcalinos altamente reativos, este dano físico é agravado pela degradação química após a exposição ao ar5.
Este artigo descreve o feixe de íons crio-SEM e focalado (FIB) como um método para preservar e caracterizar interfaces de líquido sólido. Métodos semelhantes têm sido mostrados para preservar a estrutura das células em amostras biológicas 6,7,8, dispositivos de energia 5,9,10,11,12 e reações de corrosão nanoescala 13,14,15 . O cerne da técnica é vitrifar a amostra através do congelamento de mergulho no nitrogênio de lama antes de transferir para o microscópio onde é colocado em um estágio criogenicamente resfriado. A vitrificação estabiliza o líquido no vácuo do microscópio, evitando as deformações estruturais associadas à cristalização 6,8. Uma vez no microscópio, um sistema de feixe duplo permite imagens nanoescalas com o feixe de elétrons, e preparação de seções transversais com o feixe de íons focalado. Por fim, a caracterização química é habilitada através do mapeamento de raios-X dispersivos de energia (EDX). Ao todo, o crio-SEM/FIB pode preservar a estrutura nativa de uma interface sólido-líquido, criar seções transversais e fornecer caracterização química e morfológica.
Além de fornecer um fluxo de trabalho geral para mapeamento crio-SEM e EDX, este artigo descreverá uma série de métodos para mitigar artefatos de fresagem e imagem. Muitas vezes os líquidos vitrificados são delicados e isolantes, tornando-os propensos a carregar, bem como danos no feixe8. Embora uma série de técnicas tenham sido estabelecidas para reduzir esses efeitos indesejados em espécimes à temperatura ambiente 16,17,18, várias foram modificadas para aplicações criogênicas. Em particular, este procedimento detalha a aplicação de revestimentos condutores, primeiro uma alusão de paládio dourado, seguida por uma camada de platina mais grossa. Além disso, são fornecidas instruções para ajudar os usuários a identificar o carregamento quando ele ocorre e ajustar as condições do feixe de elétrons para mitigar o acúmulo de carga. Por fim, embora o dano do feixe tenha muitas características em comum com a carga, os dois podem ocorrer independentemente um do outro16, e são fornecidas orientações para minimizar os danos nos feixes durante as etapas onde é mais provável.
Embora o SEM/FIB de feixe duplo não seja a única ferramenta de microscopia eletrônica adaptada para operação criogênica, ela é particularmente adequada para este trabalho. Muitas vezes dispositivos realistas como uma bateria estão na escala de vários centímetros de tamanho, enquanto muitos dos recursos de interesse estão na ordem de mícrons para nanômetros, e as informações mais significativas podem ser contidas na seção transversal da interface 4,5,19. Embora técnicas como a Microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) combinada com espectroscopia de perda de energia eletrônica (EELS) permitam o mapeamento de imagens e químicos até a escala atômica, elas requerem uma preparação extensiva para tornar a amostra suficientemente fina para ser transparente em elétrons, limitando drasticamente o throughput 3,4,19,20,21,22 . O Crio-SEM, em contraste, permite a rápida sondagem de interfaces em dispositivos macroscópicos, como o ânodo de uma célula de moeda de bateria de lítio metálico, embora em uma resolução menor de dezenas de nanômetros. Idealmente, uma abordagem combinada que aproveita as vantagens de ambas as técnicas é aplicada. Aqui, focamos em técnicas de FIB/SEM criogênicas de maior rendimento.
As baterias metálicas de lítio foram utilizadas como principal prova para este trabalho, e demonstram a ampla utilidade das técnicas crio-SEM: apresentam estruturas delicadas de interesse científico 4,5,9,10,11,12, têm uma química amplamente variada a ser revelada via EDX 2, e técnicas criogênicas são necessárias para preservar o lítio reativo 5, Dia 21. Em particular, os depósitos de lítio irregulares conhecidos como dendritos, bem como as interfaces com o eletrólito líquido são preservados e podem ser imageados e mapeados com EDX 4,5,12. Além disso, o lítio normalmente oxidaria durante a preparação e formaria uma alusão com gálio durante a fresagem, mas o eletrólito preservado evita a oxidação e as temperaturas criogênicas atenuam as reações com o gálio5. Muitos outros sistemas (especialmente dispositivos de energia) apresentam estruturas igualmente delicadas, químicas complexas e materiais reativos, de modo que o sucesso do crio-SEM no estudo das baterias de lítio metálico pode ser considerado uma indicação promissora de que é adequado para outros materiais também.
O protocolo utiliza um sistema FIB/SEM de feixe duplo equipado com um estágio criogênico, uma câmara de preparação criogênica e um sistema de transferência criogênica, conforme detalhado na Tabela de Materiais. Para preparar as amostras crio-imobilizadas há uma estação de trabalho com um "pote de lama", que é um pote isolado de espuma que se senta em uma câmara de vácuo na estação. A espuma isolada de pote duplo slusher contém uma câmara primária de nitrogênio e uma câmara secundária que envolve o primeiro e reduz a ebulição na parte principal da panela. Uma vez preenchido com nitrogênio, uma tampa é colocada sobre a panela e todo o sistema pode ser evacuado para formar nitrogênio de lama. Um sistema de transferência com uma pequena câmara de vácuo é usado para transferir a amostra sob vácuo para a câmara de preparação ou "preparação" do microscópio. Na câmara de preparação a amostra pode ser mantida a -175 °C e revestida com uma camada condutora, como uma alusão de paládio dourado. Tanto a câmara preparatória quanto a câmara SEM apresentam um estágio criogenicamente resfriado para segurar a amostra, e um anticontaminador para contaminantes adsorb e para evitar o acúmulo de gelo no espécime. Todo o sistema é resfriado com gás nitrogênio que flui através de um trocador de calor submerso em nitrogênio líquido, e então através dos dois estágios crio-e dois anticontaminadores do sistema.

<table><tbody><tr><td>Instrumentos</td><td></td> <td>INCA EDS</td> Oxford <td>Software de controle para X-max 80</td></tr><tr><td>PP3010T Sistema de criopreparação</td><td>Quorum Technologies, Inc.</td><td></td><td>Sistema de preparação criogênica FIB/SEM. Inclui estação de bombeamento, sistema de haste de transferência, câmara de preparação (preparação), estágios criogênicos, lançadeiras de amostras&nbsp;</td></tr><tr><td>Sistema Strata 400 DualBeam&nbsp;</td><td>FEI Co. (agora Thermo Fisher Scientific)</td><td></td><td>Detector FIB/SEM</td></tr><tr><td>X-Max 80</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td>80mm2 Detector EDX</td></tr><tr><td>xT Controle de Microscópio</td><td>FEI Co. (agora Thermo Fisher Scientific)</td><td></td><td>Software para controle FEI Strata&nbsp;</td></tr></tbody></table>

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

Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy

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.

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...

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.

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

Physical and chemical processes at solid-liquid interfaces play a crucial role in many natural and technological phenomena, including catalysis, solar ...

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.

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Engenharia

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

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