Наноразмерная характеристика интерфейсов жидкость-твердое вещество путем сопряжения криофокусированного ионного пучка фрезерования со сканирующей электронной микроскопией и спектроскопией

Метод крио-SEM и FIB может быть использован для изучения твердо-жидких интерфейсов и биологических образцов при сохранении нативной структуры образцов. Основным преимуществом этой техники является то, что крио-SEM позволяет пользователю быстро исследовать интерфейс макроскопических устройств, таких как электроды батарей с монетными элементами с разрешением в десятки нанометров. Начните с установки крио-SEM-сцены и антиконтаминатора.

Отсоедините камеру SEM и отрегулируйте систему впрыска газа, ГИС, источник платины таким образом, чтобы при вставке источник находился примерно в пяти миллиметрах от поверхности образца. Установите температуру ГИС на 28 градусов по Цельсию и откройте затвор, чтобы выпустить систему в течение 30 секунд, чтобы очистить от лишнего материала. Затем позвольте камере SEM эвакуироваться в течение как минимум восьми часов.

В конце периода эвакуации установите микроскоп и подготовительные ступени на минус 175 градусов по Цельсию и установите антиконтаминатор на минус 192 градуса цельсия. Чтобы остеклить образец, последовательно заполняйте основной объем азотного двойного горшка и окружающий объем жидким азотом до тех пор, пока жидкий азот не перестанет бурлить. Запечатайте заполненный слякот с крышкой и запустите слякотный насос.

Когда жидкий азот начнет затвердевать, начните выпускать слякоть горшок. Как только давление будет достаточно высоким, чтобы позволить горшку открыться, быстро, но осторожно поместите образец в азот. Когда кипение вокруг образца прекратится, используйте предварительно охлажденный переходный стержень для передачи образца в вакуумную камеру предварительно охлажденного шаттла SEM непосредственно перед тем, как азот начнет замерзать.

Быстро перенесите шаттл в шлюз подготовительной камеры и насос на передаточную систему. При желании нанесите от пяти до 10 нанометров золото-палладиевого слоя на поверхность образца, чтобы смягчить заряд. Затем как можно быстрее и плавно перенесите челнок образца на охлажденную ступень микроскопа.

Для визуализации поверхности образца сначала визуализируйте образец с увеличением 100 X. Затем доведите образец до приблизительно эйцентрической высоты и получите второе изображение с низким увеличением. Выберите область жертвенного испытания в остеклованной жидкости и определите любые потенциальные проблемы, которые могут присутствовать из-за повреждения луча или зарядки.

Найдите в образце интересующие регионы. Когда область будет идентифицирована, наклоните образец так, чтобы поверхность была нормальной в направлении платиновой ГИС-иглы, и вставьте иглу ГИС. Нагрейте поверхность до 28 градусов цельсия и откройте клапан примерно на 2,5 минуты, прежде чем втянуть источник.

Наклоните образец челнока к источнику сфокусированного ионного пучка и подвергайте металлическую платину 30-киловольтному ионному пучку при 2,8 наноамперах и увеличении 800 X в течение 30 секунд. Затем визуализируйте поверхность образца электронным пучком, чтобы убедиться, что поверхность гладкая и не имеет каких-либо признаков зарядки. Чтобы подготовить поперечное сечение, сначала используйте ионный пучок при 30 киловольтах и более низкий объемный тока измельчения примерно 2,8 наноампера, чтобы получить снимок поверхности образца.

Определите интересующий признак и отмерьте грубое расположение поперечного сечения. Чтобы создать боковое окно для рентгеновских лучей, нарисуйте правильное поперечное сечение, повернутое на 90 градусов относительно того, где будет находиться траншея, и поместите боковое стекло с одним краем, примерно заподлицо с желаемым конечным поперечным сечением. Измените размер повернутого рисунка, чтобы максимизировать количество рентгеновских лучей для выхода из поверхности поперечного сечения.

Используйте высокий ток для создания регулярного поперечного сечения, достаточно большого, чтобы выявить интересующую особенность, и используйте пучок ионов в 30 киловольт и интересующий ток для получения снимка поверхности образца. Определите интересующую особенность и доработайте размещение траншеи. Траншея должна простираться по обе стороны от интересующего объекта на несколько микрон.

Убедитесь, что между краем траншеи и желаемым конечным поперечным сечением находится один микрометр материала, и используйте фрезерное приложение для установки Z-глубины на два микрометра, регулярно приостанавливая процесс фрезерования для получения изображения поперечного сечения с электронным пучком по мере необходимости. Когда траншея намного глубже, чем интересующая особенность, обратите внимание на количество времени, необходимое для создания грубой траншеи для направления глубины. Чтобы создать окончательное, чистое поперечное сечение, уменьшите ток ионного пучка примерно до 0,92 наноампер и визуализируйте поверхность образца.

После проверки местоположения интересующего объекта используйте программное обеспечение сфокусированного ионного пучка, чтобы нарисовать поперечное сечение очистки и перекрыть окно очистки с предварительно изготовленной траншеей по крайней мере на один микрометр, чтобы помочь смягчить повторное осаждение. Затем используйте время, необходимое для создания траншеи, чтобы установить значение Z-глубины. Для картирования EDX выберите соответствующие условия пучка для образца и ориентируйте образец, чтобы максимизировать количество рентгеновских лучей.

Вставьте детектор EDX и установите соответствующее время процесса. В программном обеспечении детектора откройте настройку микроскопа и запустите изображение электронного пучка. Нажмите кнопку Hit Record, чтобы измерить скорость подсчета и мертвое время.

Если мертвое время необходимо отрегулировать, измените константу времени EDX. После того, как условия детектора установлены, соберите изображение электронного пучка и откройте Image Setup, чтобы выбрать битовую глубину и разрешение изображения. Выберите разрешение рентгеновской карты, диапазон спектра, количество каналов и время ожидания карты.

Диапазон энергий может быть таким же низким, как и используемая энергия луча. Затем в программном обеспечении EDX выберите область для отображения. Когда карта будет завершена, сохраните ее в виде куба данных.

Эти изображения голой литиевой фольги, измельченной при 25 и минус 165 градусах Цельсия, показывают, как охлаждение до криогенных температур может помочь сохранить образцы во время фрезерования сфокусированного ионного пучка. Для экспериментов EDX геометрия фрезерования сфокусированного ионного пучка должна быть оптимизирована и учитывать положение детектора EDX. Здесь можно наблюдать разницу между хорошо подготовленным и плохо подготовленным криоиммобилизованным образцом, оба с использованием литий-металлической батареи в качестве примера.

Хотя оба образца были номинально приготовлены в соответствии с одной и той же процедурой, кратковременное воздействие воздуха, скорее всего, привело к поверхностным реакциям, наблюдаемым в плохо подготовленном образце. Картирование литиевого месторождения в 1, 3-диоксолане, 1, 2-диметоксиэтане с не оптимальными условиями приводит к изменениям контраста, вероятно, признаку первоначально хорошо сохранившегося интерфейса, который теряется из-за радиационного повреждения во время картирования. Напротив, эта карта мертвого лития, встроенного в остеклованный электролит и литиевую подложку под ним, была выполнена при двух киловольтах и 0,84 наноамперах, сохраняя морфологию поверхности образца.

Хотя некоторые повреждения все еще видны после картографирования, степень ущерба значительно снижается. В этом анализе картирование EDX использовалось для обнаружения наночастиц оксида железа, выращенных в гидрогеле кремнезема. Сканирование большого поля зрения позволило идентифицировать интересующие регионы, в то время как более локализованные сканирования использовались для фрезерования для конкретного сайта.

Зарядка образцов может нанести ущерб успеху этой процедуры. Не забывайте о том, чтобы опускать токи пучка и время ожидания по мере необходимости, чтобы ограничить эффекты зарядки. После этого можно выполнить крио-FIB подъем для подготовки специфичной для участка ламели для анализа ТЕА.

Образцы могут быть сфотографированы с разрешением ниже ангстрема и отображать химическое распределение с использованием EELS и EDX в приборе TEM.