Summary
低温聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM）技术可以为完整固液界面的化学和形态提供关键见解。详细介绍了制备此类界面的高质量能量色散X射线（EDX）光谱图的方法，重点是储能器件。
Abstract
固液界面的物理和化学过程在许多自然和技术现象中起着至关重要的作用，包括催化，太阳能和燃料产生以及电化学能量储存。最近使用低温电子显微镜实现了这种界面的纳米级表征，从而为推进我们对界面过程的基本理解提供了一条新的途径。
这一贡献为使用集成低温电子显微镜方法绘制材料和器件中固液界面的结构和化学性质提供了实用指南。在这种方法中，我们将低温样品制备与低温聚焦离子束（cryo-FIB）铣削相结合，通过这些复杂的埋藏结构创建横截面，从而稳定固液界面。在双光束FIB / SEM中执行的低温扫描电子显微镜（cryo-SEM）技术可实现纳米级的直接成像和化学映射。我们讨论实际挑战，克服这些挑战的策略，以及获得最佳结果的方案。虽然我们在讨论储能设备中的接口时重点关注，但概述的方法广泛适用于固液界面起关键作用的一系列领域。
Introduction
固体和液体之间的界面在电池，燃料电池和超级电容器等能源材料的功能中起着至关重要的作用1，2，3。虽然表征这些界面的化学和形态可以在改善功能器件方面发挥核心作用，但这样做带来了巨大的挑战1，3，4。液体与许多常见表征技术所需的高真空环境不相容，例如X射线光发射光谱，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜2。从历史上看，解决方案一直是从设备中除去液体，但这是以牺牲界面2，4 处的潜在破坏性脆弱结构或修改形态3为代价的。在电池的情况下，特别是那些使用高活性碱金属的电池，这种物理损伤在暴露于空气5时因化学降解而加剧。
本文描述了冷冻SEM和聚焦离子束（FIB）作为保存和表征固液界面的方法。类似的方法已被证明可以保存生物样品6，7，8，能量器件5，9，10，11，12和纳米级腐蚀反应中的细胞结构13，14，15.该技术的关键是通过在淤泥氮中冷冻来玻璃化样品，然后将其转移到显微镜中，然后将其置于低温冷却的载物台上。玻璃化在显微镜的真空中稳定液体，同时避免与结晶相关的结构变形6，8。一旦进入显微镜，双光束系统允许用电子束进行纳米级成像，并用聚焦离子束制备横截面。最后，通过能量色散X射线（EDX）映射实现化学表征。总而言之，冷冻SEM / FIB可以保留固液界面的天然结构，创建横截面，并提供化学和形态学表征。
除了提供冷冻SEM和EDX映射的一般工作流程外，本文还将介绍多种方法来减轻铣削和成像过程中的伪影。通常玻璃化液体是脆弱和绝缘的，使它们容易充电以及光束损坏8。虽然已经建立了许多技术来减少室温16，17，18下样品中的这些不良影响，但已经针对低温应用进行了一些改进。特别是，该程序详细介绍了导电涂层的应用，首先是金钯合金，然后是更厚的铂层。此外，还提供了说明，以帮助用户在充电发生时识别充电，并调整电子束条件以减轻电荷的积累。最后，尽管光束损伤与充电具有许多共同的特征，但两者可以彼此独立发生16，并且提供了在最有可能的步骤中最小化光束损伤的指南。
虽然双光束SEM / FIB不是唯一适用于低温操作的电子显微镜工具，但它特别适合这项工作。通常，像电池这样的逼真的设备的大小在几厘米的范围内，而许多感兴趣的特征在微米到纳米的数量级上，最有意义的信息可以包含在界面4，5，19的横截面中。虽然扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失光谱（EELS）等技术使成像和化学映射能够精确到原子尺度，但它们需要大量的准备工作才能使样品足够薄以使电子透明，从而极大地限制了通量3，4，19，20，21，22.相比之下，Cryo-SEM允许快速探测宏观器件中的接口，例如锂金属电池纽扣电池的阳极，尽管分辨率较低，为数十纳米。理想情况下，应用一种利用这两种技术优势的组合方法。在这里，我们专注于更高通量的低温FIB / SEM技术。
锂金属电池被用作这项工作的主要测试案例，它们证明了低温SEM技术的广泛实用性：它们具有科学兴趣的微妙结构4，5，9，10，11，12，具有通过EDX2揭示的化学性质差异很大，并且需要低温技术来保存活性锂5，21.特别是，称为枝晶的不均匀锂沉积物以及与液体电解质的界面被保留下来，并且可以用EDX4，5，12进行成像和映射。此外，锂通常会在制备过程中氧化，并在研磨过程中与镓形成合金，但保存的电解质可防止氧化，低温可减轻与镓5的反应。许多其他系统（特别是能源设备）具有类似的精细结构，复杂的化学成分和反应性材料，因此冷冻SEM在锂金属电池研究上的成功可以被认为是一个有希望的迹象，表明它也适用于其他材料。
该协议使用双光束FIB / SEM系统，该系统配有低温台，低温制备室和低温转移系统，详见材料表。为了制备冷冻固定的样品，有一个带有“雪泥锅”的工作站，这是一个泡沫绝缘锅，位于工作站的真空室中。泡沫绝缘双锅式吸气器包含一个主氮气室和一个副腔室，该室环绕前者并减少锅的主要部分的沸腾。一旦充满氮气，盖子被放置在锅上，整个系统可以被抽真空以形成搪泥氮气。具有小型真空室的转移系统用于在真空下将样品转移到显微镜的制备或“制备”室。在制备室中，样品可以保持在-175°C并溅射涂有导电层，例如金钯合金。制备室和SEM室都具有用于容纳样品的低温冷却平台，以及用于吸附污染物并防止冰在样品上积聚的抗污染器。整个系统用氮气冷却，氮气流经浸没在液氮中的热交换器，然后通过系统的两个低温级和两个抗污染器。
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Protocol
1.准备样品并转移到SEM室中
- 设置显微镜
- 对于在室温和低温设备之间转换的系统，请根据设备制造商的说明安装低温SEM平台和抗污染器，并排空SEM室。
- 调整气体注入系统（GIS）铂源，使其在插入时与典型的室温实验相比，距离样品表面约5 mm。需要针对每个系统优化此位置，以确保样品表面涂层均匀。在这里使用的FIB上，这是通过松开GIS源侧面的固定螺钉并顺时针旋转环3圈来完成的。
- 将GIS温度设置为28°C，在此温度下打开百叶窗和通风口30秒，以清除多余的材料。在室温下这样做，因为有机金属会涂覆任何寒冷的表面。
- 将载物台移动到适当的位置，以便将样品穿梭车从制备室加载到SEM中（这将因系统而异）。
- 让SEM室抽真空至少8小时，以建立足够低的真空（通常约为4E-6 Torr），以尽量减少实验过程中的冰污染。
- 设置低温制备站
- 使用前抽真空隔离管路8小时。
- 在冷却显微镜之前，将干燥的氮气流过气体管路约15分钟。这应该在大约5 L / min或系统的最大流速下完成。这样可以冲洗系统中的水分，以减轻冷却时管路中结冰的形成，从而阻碍气体的流动。
- 当气体仍以最大流速流动时，关闭真空隔离管路的阀门，然后将热交换器转移到液氮杜瓦瓶中。
- 将SEM和制备阶段的温度设置为-175°C，将抗污染器的温度设置为-192°C。 等到所有元素都达到设定温度后再继续。
- 玻璃化样品。
- 填充氮气双锅吸盘。首先填充锅的主要体积，然后填充其周围的体积以减少氮气鼓泡。根据需要继续向每个液氮添加更多液氮，直到沸腾停止。
- 用盖子密封吸盘机，然后启动雪泥泵。继续泵送，直到液氮开始凝固。
- 开始排出雪泥锅。对于锂电池等空气敏感材料，这是准备样品进行暴跌冷冻的好时机。
- 一旦压力足够高，可以打开锅，快速但轻轻地将样品置于氮气中，并至少等到样品周围的沸腾停止后再继续。此时从液氮中取出所有工具，以减少冰污染的机会。
- 如果搪浆锅的满数不足一半，请加入更多的液氮。
- 将样品转移到SEM穿梭机。将固定或转移样品所需的任何工具放入液氮罐中，并让它们完全冷却，即，在接触样品或穿梭物之前，至少要等到LN2 在每个工具周围停止沸腾。长时间暴露在大气中，特别是在潮湿时，会导致液氮中形成冰晶，因此最好快速完成此步骤。
- 将穿梭车连接到传输杆上。与其他工具一样，在接触穿梭机之前，在LN2 中预冷杆的末端。
- 泵上搪打锅并观察压力。在氮气开始冻结之前，将样品从液氮中取出，并将其密封在转移系统的真空室中。通常，这可以通过在压力约为8 mbar时将穿梭车向上抬起来完成。
- 快速转移到输送系统上的制备室和泵的气闸。一旦气闸压力足够低，就打开传输系统的真空室，以便在没有太大力的情况下完成此操作。
- 一旦可以打开制备室，将样品穿梭快速转移到腔室中并放置在冷却的制备阶段。缩回传输杆并关闭气闸门。
- 此时，可以将~5-10 nm的金钯层溅射到样品表面上以减轻电荷。典型起始值为10 mA，持续10 s，但应针对每个系统调整这些参数。或者，可以对未涂覆的表面进行成像，评估充电程度，然后转移回制备室以溅射涂层。
- 重新打开气闸，连接传输杆，等待1分钟，让杆的末端冷却下来。然后，打开阀门进入主SEM室，并尽可能快速，平稳地将样品穿梭转移到冷却的SEM载物台上。缩回转移杆并将其存放在真空下，以防止再次需要时受到冰污染。
注意：液氮如果接触皮肤会造成伤害。在穿戴适当的个人防护装备时小心处理。不要放在密封的容器中，因为蒸发会导致压力积聚。
2. 对样品表面进行成像并定位特征
注意：开始成像所需的设置时间通常足以使样品在冷冻台上达到热平衡，特别是如果制备室和SEM室中的两个阶段都冷却到相同的温度，并且穿梭机从一个阶段到另一个阶段的转移时间最小化。
- 在成像之前设置光束参数，从中等电压（~5 kV）和中等电流（~0.4 nA）开始。对于特别精细的样品，用户可能希望降低这些值，而更坚固的样品可以承受更高的电压和电流。
- 从低放大倍率 （100x） 开始对表面进行成像，对焦并执行仪器所需的任何步骤。例如，在FIB用户这里，测得的工作距离必须与载物台位置相关联。在以较高放大倍率聚焦之前，评估样品的对比度或形状变化，以减少充电。
- 将样品带到大约偏心的高度，并拍摄另一张相对较低的放大倍率图像（100-200x）。
- 使用玻璃化液体选择牺牲测试区域，并识别由于光束损坏或充电而导致的潜在问题。以100倍放大率开始成像5秒，然后将放大倍率增加到约1，000倍，再成像5秒，然后将放大倍率降低到100倍，收集一张图像并暂停光束。如果在高放大倍率下暴露的区域对比度发生变化，则样品可能会损坏或充电，用户应再次考虑调整光束参数或重新溅射镀膜。有关更详细的过程，请参见参考文献18。
- 在示例中搜索感兴趣的区域。该过程将因样品而异，可能需要一些实验。明显延伸到周围表面上方的特征可能会导致玻璃化液体以类似的方式凸起，而其他特征可能被隐藏。
- 如果无法找到感兴趣的要素，则 EDX 地图可能会有所帮助。由于样品仍然垂直于电子束，请按照步骤4中描述的EDX映射过程进行操作。
- 找到感兴趣的特征后，保存表面的低倍率和高倍率图像以及载物台位置。
- 重复上述步骤以查找所需数量的站点。
- 首先选择要成像的区域，然后按照仪器的协议将该区域与共心高度对齐。
- 倾斜样品，使表面垂直于铂 GIS 针的方向，然后插入 GIS 针。将其加热至28°C并打开阀门约2.5分钟，然后缩回源。这应该产生均匀的未固化有机金属铂层，用户可以对样品表面进行简要成像以确认均匀的覆盖率。沉积时间因仪器而异，应进行调整以确保1-2μm厚的均匀层。
- 将样品穿梭车向FIB源倾斜，并将有机金属铂以2.8 nA，800倍放大倍率暴露于30 kV离子束中30秒。带有电子束的图像，以验证表面光滑且没有任何充电迹象。
3. 准备横截面
- 使用离子束在30kV和较低的本体铣削电流（~2.8 nA）下拍摄样品表面的快照，确定感兴趣的特征并测量横截面的粗略放置。使用约2.8 nA铣削的沟槽可以放置在距离最终横截面1μm的地方，并且应该延伸到目标特征的任一侧几微米。侧窗（见3.2）应放置一条与所需最终横截面大致齐平的边。
- 在铣削主沟槽之前为 X 射线创建侧窗，以减少重新定位。
- 绘制一个相对于沟槽位置旋转 90° 的常规横截面 。方向将取决于每个EDX探测器的配置;将此沟槽的浅端朝向EDX探测器。在这里使用的仪器软件中，通过单击图案的“ 高级 ”选项卡并输入逆时针测量的旋转角度来完成此旋转。
- 调整旋转图案的大小，以最大化离开横截面表面的X射线数量，标称为10μm正方形。尺寸将取决于探测器的几何形状，通常较小的窗口就足够了。用户可以通过确定该沟渠的最小尺寸来加快该过程。
- 创建一个刚好足够大的 常规横截面 以显示感兴趣的特征。这可以通过使用高电流（~2.8 nA）来快速完成，以形成一个沟槽，降低电流以进行清理，或者通过仅在较低电流（~0.92 nA）下工作来更慢地工作。
- 使用 30 kV 和所需电流下的离子束拍摄样品表面的快照（有关电流选择，请参见 讨论 ）。确定感兴趣的特征，并完成在 3.1 中完成的沟槽放置
- 沟槽尺寸因样品而异，但典型尺寸为25 μm x 20 μm。两个尺寸必须足够大，以使感兴趣的整个特征可见;x将确定横截面的宽度，而y将限制电子束可以看到的沟槽深处的距离。确保该沟槽的边缘和所需的最终横截面之间留有1μm的材料。
- 将z深度设置为2μm，并将铣削应用程序设置为硅，然后使用软件开始铣削，但定期暂停该过程并使用电子束对横截面进行成像，然后根据需要恢复铣削。
- 重复此过程，直到沟槽比目标特征深得多，通常为10-20μm深。含有多种材料的样品通常具有高度可变的铣削时间，并且可能需要比1μm深度设置估计的时间更多或更短的时间。记录创建粗糙沟槽以引导 3.4 中使用的深度所需的时间。
- 使用 30 kV 和所需电流下的离子束拍摄样品表面的快照（有关电流选择，请参见 讨论 ）。确定感兴趣的特征，并完成在 3.1 中完成的沟槽放置
- 创建最终的干净横截面
- 将离子束电流降低到约0.92 nA并拍摄快照。验证感兴趣特征的位置：如果步骤3.1.3正确完成，将有大约1μm的材料需要铣削掉。
- 使用FIB软件绘制 清洁横截面 。将此清洁窗口与预制沟槽重叠至少 1 μm，以帮助减轻重新沉积。
- 使用步骤 3.3.3 中的观测值确定值，设置 z 深度。例如，如果一半的时间用于 1 μm 深度，则将深度重新设置为 0.5 μm。
- 让清洁横截面不间断地运行。完成后，使用电子束对清洁的横截面进行成像。
4. 执行 EDX 映射
- 为样品选择合适的光束条件（有关详细信息，请参阅 讨论 ）
- 确定样品方向以最大化 X 射线计数。每个仪器都有一个理想的EDX工作高度;确保感兴趣的特征处于此高度。倾斜，使得入射电子束尽可能接近感兴趣的表面。
- 插入EDX检测器并确定适当的处理时间。对于高光束敏感的样品，在绘制目标位点之前，可能需要在样品的牺牲区域上测试这些条件。
- 在探测器的软件中，转到 显微镜设置 并启动电子束图像，然后点击记录。这将测量计数率和死区时间。
- 记录平均死区时间和计数率。理想的死区时间因探测器而异，但对于Oxford X-max 80，典型值范围在15-25之间。值越低，分辨率越高，值越高，计数率越高。
- 如果需要调整死区时间，请更改 EDX 时间常数（也称为 处理时间）。较低的处理时间将产生较低的死区时间，反之亦然。重复此步骤，直到死区时间在所需范围内。
- 确认计数率是否合理。较低的计数速率（1，000 次计数/秒及更低）将需要更长的采集时间，这增加了地图因样本漂移而失真的可能性。如果计数率太低，请考虑增加光束电流和电压，或增加处理时间。
- 一旦探测器条件建立，收集电子束图像。
- 转到 “图像设置” 并选择位深度和图像分辨率，通常为 8 位，512 x 448 或 1024 x 896。
- 调整 EDX 软件的映像条件。通常，EDX软件中成像条件的校准方式与SEM自己的软件中的校准方式不同，并且需要相应地调整放大倍率，亮度和对比度。在INCA中，点击感兴趣站点窗口上的记录按钮，根据需要调整图像，然后记录另一个图像，根据需要迭代。
- 在 EDX 软件中调整映射设置。
- 选择 X 射线贴图分辨率、 光谱范围、 通道数和 贴图停留时间。EDX图的分辨率必须低于电子图像（通常为256 x 224），并且能量范围可以像使用的光束能量一样低。通常，使用最大通道数，并将停留时间设置为400 μs。
- 在 EDX 软件中，选择要映射的区域。这可以通过选择整个视场来完成，也可以通过在电子束图像上选择一个较小的区域来完成，这可能会加快这个过程。
- 开始获取 EDX 映射。允许运行此函数，直到收集到足够数量的计数（请参阅下面的讨论）。在元素地图窗口中，将显示预处理的地图，如果在此过程中特征开始模糊，则表明样品正在漂移或损坏。在这种情况下，请考虑停止地图并使用 SEM 软件来确定问题。
- 地图完成后，将 EDX 地图另存为数据立方体，数据立方体是一个 3D 数组，其轴表示图像中的空间坐标，轴表示能量。
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Representative Results
该方法是在配备市售低温台，抗污染器和制备室的双FIB / SEM系统上开发的。有关详细信息，请参阅材料表。我们主要在具有许多不同电解质的锂金属电池上测试了这种方法，但该方法适用于任何固液界面，这些界面将承受EDX映射期间施加的剂量。
图1说明了这里使用的低温系统的各个组件：样品被冷冻的搪塑锅（图1A），具有真空室的转移系统（图1B）在转移过程中将梭子储存在其中，制备或“制备”室（图1C，D）其中样品被溅射涂层，以及SEM低温阶段本身（图1E）。图2（改编自Zachman等人，2020）5比较了在25°C和-165°C下对裸锂箔的铣削，强调了冷却到低温如何帮助在FIB铣削过程中保存样品。对于EDX实验，应优化FIB铣削几何形状，并考虑EDX检测器的位置，如图3所示。图3A描绘了从离子束方向观察的铣削设置：首先创建主沟槽和侧窗，侧窗顺时针旋转270度，以产生相对于EDX探测器位置的所需深度梯度。随后，对清洁横截面进行铣削（图3A中的蓝色框）以创建横截面的最终面。侧窗在原始主沟的末端至少1μm处铣削，以便清洁横截面至少与该沟槽的一侧齐平。铣削的侧窗建立从横截面中的每个点到探测器的视线（图3B）。
在图4、图5和图6中，我们专注于一种材料系统：锂在锂基板上的初始沉积，该基板上连接到二氧杂环烷（DOL）/二甲氧基乙烷（DME）电解质中的不锈钢集流体。首先，我们在图4中演示了制备良好的冷冻固定样品和制备不良的样品之间的差异，两者都以锂金属电池为例。玻璃化不当会导致形态变化和结晶，而空气暴露会导致冰污染。对于图4，两种样品名义上都是按照相同的程序制备的，然而，短暂暴露于空气中最有可能导致图4B所示样品的表面反应，可能是由于锂电极表面上的电解质层较薄。在装入冷冻FIB后对每个样品进行筛选有助于识别由于玻璃化过程引起的潜在问题。图5显示了在非最佳条件（3 kV，1.1 nA）下绘制1，3-二氧戊环/1，2-二甲氧基乙烷（DOL/ DME）中锂沉积物的结果。图5A横截面中心的深色特征显示了对比度变化，这可能表明界面最初保存完好。然而，由于映射过程中的辐射损坏，大部分细节都丢失了（图5B）。相比之下，图6显示了嵌入玻璃化电解质中的死锂（不再连接到电极的锂块）的图，其下方的锂基底在2 kV和0.84 nA下完成，从而保留了形态。虽然在图6B中仍然可以看到一些损坏，但程度已大大降低。
EDX 映射还可用于定位埋藏结构。图7（改编自Zachman，2016）19展示了使用EDX定位在二氧化硅水凝胶中生长的氧化铁纳米颗粒。大视场扫描允许识别感兴趣的区域（图7A，D），而更局部的扫描（图7B，E）可用于特定部位的铣削（图7C，F），在这种情况下，为冷冻提升做准备。
遵循此程序时，应使用处理冷冻剂（即液氮和淤泥氮）的标准安全程序，锂金属电池应使用适当的个人防护设备处理并安全处置。
图 1：使用的低温 FIB/SEM 系统的组件。 （A） 用于初始样品制备的搪丸罐。泡沫保温层下的主要部分和储液器充满液氮，通过使用真空泵降低液氮上方的压力，液氮转化为雪泥氮。样品在雪泥氮气中冷冻并连接到穿梭机上，然后使用垂直坞站将梭子抬出转移臂上。（二）传输系统内部。在转移到制备室的过程中，一个小气闸将梭子保持在弱真空下，并且臂本身（未显示）允许用户将样品移动到低温冷却的载物台上。（C）制备室的外部视图，在成像之前可以溅射样品。（D）制备室中冷冻阶段的特写。（E）SEM室内的冷冻系统，具有载物台和抗污染器。 请点击此处查看此图的大图。
图 2：在室温下研磨锂箔与低温的比较。 （A） 在室温下由常规横截面产生的横截面。横截面的表面不光滑，存在其他材料。这可能是在与镓离子束铣削过程中形成的锂镓合金。（B）使用清洁横截面铣削的沟槽。脸现在是干净的，但是在沟渠中的重新定位是明显的。（C） 与 （A） 相同，但在 -165 °C 下完成。 面缺少锂镓合金，再沉积减少。（D）与（B）相同，但在-165 °C下进行。 最终的沟槽和横截面非常干净。总之，这表明基于镓离子的FIB技术在室温下与锂样品不相容，但在低温下相容。改编自Zachman，20205。请点击此处查看此图的大图。
图 3：设置铣削窗口，包括用于提高 X 射线产量的侧窗口。 （A） 显示铣削工艺关键特征的示意图（放置不准确）。绘制主沟渠和侧窗，显示深度增加的方向（由标记的箭头和阴影渐变指示），清洁横截面（蓝色）与主沟槽部分重叠。侧窗相对于EDX探测器的位置对齐，以允许检测整个横截面产生的X射线。（B） 展示侧窗优点的草图。当电子探针扫描横截面时，电子激发X射线，由EDX探测器测量。如果没有侧窗，阴影效果会导致横截面的某些部分（如右下角）显示为深色。请点击此处查看此图的大图。
图4：玻璃化和转移不当的结果。 （A）含有DOL / DME电解质的保存良好的锂样品。虽然沉积物会引起一些三维变化，但冷冻固定的电解质通常是光滑和均匀的。（B） 同一系统保存不完的样本的代表性结果。表面要粗糙得多，并且沉积物未被电解质完全覆盖，这表明样品反应可能是由于制备过程中长时间暴露空气而发生的。请点击此处查看此图的大图。
图 5：锂金属电池的 EDX 映射，阴影减少，但损坏显著。 （A）EDX映射前的电子束图像在3 kV和1.1 nA。（二）测绘后图像，显示较小结构的损坏情况。（C）电子图像对应于映射区域。（D）碳K-α元素图，红线表示阴影。在侧窗内，存在明显的阴影，否则会遮挡横截面的表面。侧窗没有完全对齐，并且略微延伸到横截面的表面，导致该区域可见的阴影有限。请点击此处查看此图的大图。
图 6：锂金属电池中死锂的 EDX 映射，具有最小的损坏和阴影。 （A）EDX映射前的电子束图像在2 kV和0.84 nA下，带有星号标记死锂。（B）映射后的图像，由于更优化的光束条件，显示的损坏非常小。（C）电子图像对应于映射区域。（D）碳K-α元素图，红线表示轻微的阴影效果。请点击此处查看此图的大图。
图7：EDX映射，用于识别感兴趣的埋藏特征。 （A）具有嵌入氧化铁纳米颗粒的二氧化硅水凝胶的SEM图像。（B）在较高放大倍率下记录的类似图像。（C）以氧化铁纳米颗粒为中心的两个沟槽的SEM图像，该颗粒是为准备冷冻升出TEM薄片而创建的。（D，E）对应于 （A， B） 的 EDX 映射。在较高的放大倍率（E）下，可以清楚地区分样品中几种富含铁的颗粒。通过与（B）进行比较，可以确定一个颗粒嵌入（用箭头表示），而其他颗粒则不是。 （F）（C）的EDX图，清楚地表明沟槽以感兴趣的特征为中心。改编自Zachman，201619。请点击此处查看此图的大图。
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Discussion
这里描述的低温制备方法很重要，必须正确完成才能保留化学和形态8。最关心的问题是快速冷冻样品，因为这是允许液体玻璃化的原因8。如果样品冷却太慢，液体可能会结晶，导致形态变化6。为了防止结晶，在此过程中使用雪泥氮，因为它降低了莱顿霜冻效应并加速了冷却，与液氮8，23，24相比。我们还注意到，与水溶液相比，许多有机液体需要显着降低玻璃化的冷却速率25，26，这有利于冷冻较厚的有机电解质层。其他冷冻剂如液态乙烷或丙烷通常用于其他领域8，然而，有机制冷剂可以溶解有机电解质，从而产生伪影23，24。Slush氮气不与有机液体相互作用，因此是这里选择的冷冻剂。为确保快速冷却，在暴跌过程中消除样品中的外来质量以降低热容量也很重要。一些样品（例如，锂金属阳极）可能需要连接到像铝短截线一样的支架上，以便在跌入过程中进行支撑，但是如果可能的话，最好在适当冷冻后将样品在液氮下连接到支架上。最后，低温使样品容易受到冰污染。因此，在从雪泥罐转移到制备室的过程中，将样品保持在真空下非常重要。
即使在低温下工作时，样品充电和辐射损伤也可能是一个重大挑战，需要保护涂层和仔细选择光束参数。在此过程中，减少这些影响的主要方法侧重于降低光束电压和提供累积电荷消散的路径。降低光束电压需要权衡：虽然较低的电压通常可以减少电荷积累，光束损伤深度以及传递到样品16，17中的热量，但它们也会降低EDX和图像分辨率18的计数率。因此，建议确定每种可用电压的影响，并利用不会损坏样品的最高电压。为了消散电荷，样品最初涂有薄（5-10nm）导电层，例如金钯，然后是一层约一微米厚的铂。FIB系统通常使用有机金属铂气体将铂输送到样品表面。在低温条件下，该前驱体在冷样品表面凝结形成非导电的含铂有机化合物27。固化过程，在此期间，层暴露于离子束，然后释放有机组分，从而形成导电铂层。这一步对于高质量结果至关重要，因为铂既消散电荷又减轻镓植入13，27。定位样本以使表面垂直于 GIS 源是获得连续图层的最佳方法，并且需要为每个系统调整确切位置。最后，样品必须具有连续的接地导电路径，以便通过连接到载物台的接地线来消散多余的电荷。除了这种接地线之外，样品本身必须对穿梭线具有良好的导电性，电荷才能消散。
制备横截面的程序仅与室温FIB工作的标准方法17略有不同。主要修改是增加了一个侧窗，以允许更多的X射线从沟渠中逃脱。如果没有此窗口，沟槽的一侧将在 EDX 贴图中横截面的表面上产生阴影。虽然可以通过简单地延伸沟渠的一侧来确保阴影不会遮挡感兴趣的特征，但这样做需要比这里描述的方法更长的时间。使用相对于主沟槽旋转90度的常规横截面，从横截面中的每个点到X射线探测器形成直接路径，同时去除最少量的材料。用户应考虑X射线探测器在FIB室中的方向，并相应地放置侧窗。另一个主要修改是使用较低的铣削电流来保持界面。在室温下，通常使用较高的离子束电流（~9.3 nA）来磨掉大部分沟槽，然后在清洁17之前减小电流以磨削较小的窗口。在这里，建议谨慎使用较高的电流，因为它会损坏许多玻璃化样品。
冷冻FIB中EDX映射的一个主要限制是相对于典型条件下可实现的计数速率所需的大量计数。具有统计显著性的地图每像素需要超过 100 个计数，或者对于 256 x 256 地图17，大约需要 600 万个计数。鉴于适用于低温样品的光束条件通常给出的计数率低至每秒1，000次计数，用户可以预期地图需要几分钟到一个小时。这一次不仅降低了通量，而且还增加了对样品漂移的灵敏度，从而限制了地图的质量。因此，优化计数率是值得的。这样做的第一步是确保样品处于所用系统中检测器的最佳工作高度。接下来，应平衡光束参数，以最大限度地提高X射线产量而不会损坏样品。在本文考虑的光束电压范围内（2-5 keV），计数速率将随着光束电压和电流17的增加而增加，并且应使用不会产生显着损坏或充电的最大值。然而，样品经常显着限制光束条件，优化EDX探测器的条件变得更加重要。需要调整的主要参数在牛津印加软件中被称为“处理时间”（也称为“时间常数”），及其对探测器17的所谓死区时间的影响。死区时间是一个简单的参数，定义为：
,
其中，输入计数率是指入射到检测器上的电子数，输出计数率是指检测器计数为信号17的电子数。处理时间是一个复杂的参数，表示用于平均输入信号的时间。较长的处理时间表示信号平均的时间越长，因此处理时间越长，死区时间越长。低死区时间代表了所包含的大多数X射线，对于这种应用来说，这是可取的，但它是以分辨率17为代价的。通常，对过程时间进行调整，使死区时间在15%到20%之间，但在较低的电压和电流下，可能无法显着改善死区时间。
带有EDX的低温FIB / SEM提供了探索完整固液界面的化学和形态的少数方法之一。傅里叶变换红外光谱（FTIR），拉曼光谱和XPS等方法通常用于探索电池的化学性质，但缺乏EDX映射2提供的空间分辨率。XPS通常是一种破坏性技术，但在XPS分析28期间，也采用了低温来保持完整的固液界面。形态学通常使用SEM，光学显微镜，原子力显微镜（AFM）和扫描探针显微镜（SPM）2进行表征。Cryo-TEM/STEM已显示出卓越的空间分辨率4，9，11，21，22，EELS4提供的更多信息丰富的化学映射，但这是一种低通量技术。样品必须是限制性薄的，需要高度特异性的样品设计（例如在TEM网格9，11，21，22上生长的锂）或使用冷冻FIB提升4，19从宏观样品制备。最近，Schreiber等人13描述了使用冷冻FIB方法制备完整的固液界面，用于通过原子探针断层扫描进行研究。然而，该程序的通量相对较低，并且主要着眼于纳米级13，14，使其应用与冷冻SEM EDX映射不同。
尽管这种方法具有显着的优点，但它并非没有限制。如前所述，在EDX映射过程中必须非常小心以防止样品损坏，并且少量损坏可能是不可避免的。本作品开发中使用的特定设备有其自身的局限性。虽然通过EDX检测锂是可能的28，但它需要使用专门针对低能X射线优化的探测器，这在这项工作中没有完成。更灵敏的探测器还将提高X射线收集效率，从而减少EDX映射所需的电子剂量。接下来，该技术不会立即与所有样品几何形状兼容。例如，一些电池样品在冷冻时往往具有较厚的电解质层（30-100μm），这在使用标准镓离子FIB时需要不切实际的长铣削时间。通常可以进行轻微的修改以克服此限制。我们发现，通过从O形圈分离器切换到膜分离器，可以减少电解质厚度。然而，这种修改的影响因样品而异，应仔细考虑。最后，Quorum低温阶段是一个早期模型，它没有围绕垂直轴旋转，将观测限制在设定的方向上。在保持低温样品温度稳定的同时实现载物台旋转将提高易用性，但不太可能显着提高结果的质量或扩大技术的范围。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
我们非常感谢Shuang-Yan Lang和Héctor D. Abruña的贡献，他们为我们的研究提供了样本。这项工作得到了美国国家科学基金会（NSF）（DMR-1654596）的支持，并利用了NSF支持的康奈尔大学材料研究设施中心，奖励编号为DMR-1719875。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| INCA EDS | Oxford instruments | Control software for X-max 80 | |
| PP3010T Cryo-preparation system | Quorum Technologies, Inc. | FIB/SEM cryogenic preparation system. Includes pumping station, transfer rod system, preparation (prep) chamber, cryogenic stages, sample shuttles | |
| Strata 400 DualBeam System | FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific) | Dual beam FIB/SEM | |
| X-Max 80 | Oxford Instruments | 80mm2 EDX detector | |
| xT Microscope Control | FEI Co. (now Thermo Fisher Scientific) | Software for controlling FEI Strata |
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