Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

אפיון בקנה מידה ננומטרי של ממשקים נוזליים-מוצקים על ידי צימוד כרסום קרן יונים ממוקד קריו עם מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת וספקטרוסקופיה

Published: July 14, 2022 doi: 10.3791/61955
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1School of Applied and Engineering Physics, Cornell University, 2Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science

Summary

טכניקות קרן יונים ממוקדת קריוגנית (FIB) ומיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) יכולות לספק תובנות מפתח לגבי הכימיה והמורפולוגיה של ממשקים מוצקים-נוזליים שלמים. שיטות להכנת מפות ספקטרוסקופיות באיכות גבוהה של פיזור אנרגיה (EDX) של ממשקים כאלה מפורטות, תוך התמקדות בהתקני אגירת אנרגיה.

Abstract

תהליכים פיזיקליים וכימיים בממשקים מוצקים-נוזליים ממלאים תפקיד מכריע בתופעות טבעיות וטכנולוגיות רבות, כולל קטליזה, אנרגיה סולארית וייצור דלק, ואגירת אנרגיה אלקטרוכימית. אפיון בקנה מידה ננומטרי של ממשקים כאלה הושג לאחרונה באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית, ובכך מספק נתיב חדש לקידום ההבנה הבסיסית שלנו של תהליכי ממשק.

תרומה זו מספקת מדריך מעשי למיפוי המבנה והכימיה של ממשקים מוצקים-נוזליים בחומרים ובהתקנים תוך שימוש בגישה משולבת של מיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית. בגישה זו, אנו משלבים הכנת דגימות קריוגנית המאפשרת ייצוב של ממשקים מוצקים-נוזליים עם כרסום קרן יונים ממוקדת קריוגנית (cryo-FIB) כדי ליצור חתכים דרך מבנים קבורים מורכבים אלה. טכניקות מיקרוסקופיית אלקטרונים סריקה קריוגנית (cryo-SEM) המבוצעות ב-FIB/SEM בעל קרן כפולה מאפשרות הדמיה ישירה כמו גם מיפוי כימי בקנה מידה ננומטרי. אנו דנים באתגרים מעשיים, באסטרטגיות להתגבר עליהם, כמו גם בפרוטוקולים להשגת תוצאות מיטביות. בעוד שאנו מתמקדים בדיון שלנו בממשקים בהתקני אגירת אנרגיה, השיטות המתוארות ישימות באופן נרחב למגוון תחומים שבהם ממשק מוצק-נוזלי ממלא תפקיד מפתח.

Introduction

ממשקים בין מוצקים לנוזלים ממלאים תפקיד חיוני בתפקודם של חומרי אנרגיה כגון סוללות, תאי דלק וסופר-קבלים 1,2,3. בעוד שאפיון הכימיה והמורפולוגיה של ממשקים אלה יכול למלא תפקיד מרכזי בשיפור המכשירים הפונקציונליים, פעולה זו הציבה אתגר משמעותי 1,3,4. נוזלים אינם עולים בקנה אחד עם סביבות הוואקום הגבוהות הדרושות לטכניקות אפיון נפוצות רבות, כגון ספקטרוסקופיית פוטו-פליטה של קרני רנטגן, מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) ומיקרוסקופיית אלקטרונים תמסורת2. מבחינה היסטורית, הפתרון היה להסיר את הנוזל מהמכשיר, אך הדבר בא על חשבון פוטנציאל לפגיעה במבנים עדינים בממשק 2,4 או שינוי מורפולוגיה3. במקרה של סוללות, במיוחד כאלה המשתמשות במתכות אלקליות תגובתיות מאוד, נזק פיזיקלי זה מתווסף להתפרקות כימית עם חשיפה לאוויר5.

מאמר זה מתאר קריו-SEM וקרן יונים ממוקדת (FIB) כשיטה לשימור ואפיון ממשקים מוצקים-נוזליים. שיטות דומות הוכחו כמשפרות את מבנה התאים בדגימות ביולוגיות 6,7,8, התקני אנרגיה 5,9,10,11,12 ותגובות קורוזיה בקנה מידה ננומטרי 13,14,15 . עיקר הטכניקה הוא להחיות את הדגימה באמצעות הקפאת צלילה בחנקן רפש לפני העברתה למיקרוסקופ, שם היא מונחת על במה מקוררת קריוגנית. ויטריפיקציה מייצבת את הנוזל בריק של המיקרוסקופ תוך הימנעות מהעיוותים המבניים הקשורים להתגבשות 6,8. ברגע שהם נמצאים במיקרוסקופ, מערכת קרן כפולה מאפשרת הדמיה בקנה מידה ננומטרי עם קרן האלקטרונים, והכנת חתכים עם קרן היונים הממוקדת. לבסוף, אפיון כימי מתאפשר באמצעות מיפוי רנטגן מפזר אנרגיה (EDX). בסך הכל, cryo-SEM/FIB יכול לשמר את המבנה המקורי של ממשק מוצק-נוזלי, ליצור חתכים ולספק אפיון כימי ומורפולוגי כאחד.

בנוסף למתן זרימת עבודה כללית למיפוי cryo-SEM ו- EDX, מאמר זה יתאר מספר שיטות להפחתת ממצאים מכרסום והדמיה. לעתים קרובות נוזלים מושקעים הם עדינים ומבודדים, מה שהופך אותם מועדים לטעינה כמו גם לנזקי קרן8. בעוד שמספר טכניקות הוקמו כדי להפחית את ההשפעות הלא רצויות הללו בדגימות בטמפרטורת החדר 16,17,18, כמה מהן שונו עבור יישומים קריוגניים. בפרט, הליך זה מפרט יישום של ציפויים מוליכים, תחילה סגסוגת זהב-פלדיום, ואחריו שכבת פלטינה עבה יותר. בנוסף, ניתנות הוראות כדי לסייע למשתמשים לזהות טעינה כאשר היא מתרחשת ולהתאים את תנאי קרן האלקטרונים כדי למתן את הצטברות המטען. לבסוף, למרות שלפגיעה בקורה יש מאפיינים רבים במשותף עם טעינה, השניים יכולים להתרחש ללא תלות זה בזה16, והנחיות ניתנות למזעור נזקי הקרן במהלך השלבים שבהם סביר להניח.

בעוד ש-SEM/FIB בעל אלומות כפולות אינו הכלי היחיד למיקרוסקופיית אלקטרונים שהותאם לפעולה קריוגנית, הוא מתאים במיוחד לעבודה זו. לעתים קרובות התקנים מציאותיים כמו סוללה נמצאים בסולם של כמה סנטימטרים בגודל, בעוד שרבות מהתכונות המעניינות הן בסדר גודל של מיקרונים לננומטרים, וניתן להכיל את המידע המשמעותי ביותר בחתך רוחב של הממשק 4,5,19. למרות שטכניקות כמו סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים (STEM) בשילוב עם ספקטרוסקופיית אובדן אנרגיה אלקטרונית (EELS) מאפשרות הדמיה ומיפוי כימי עד לסולם האטומי, הן דורשות הכנה נרחבת כדי להפוך את הדגימה לדקה מספיק כדי להיות שקופה אלקטרונים, ומגבילה באופן דרמטי את התפוקה 3,4,19,20,21,22 . Cryo-SEM, לעומת זאת, מאפשר בדיקה מהירה של ממשקים בהתקנים מקרוסקופיים, כגון אנודה של תא מטבע מתכת ליתיום, אם כי ברזולוציה נמוכה יותר של עשרות ננומטרים. באופן אידיאלי, מיושמת גישה משולבת הממנפת את היתרונות של שתי הטכניקות. כאן, אנו מתמקדים בטכניקות FIB/SEM קריוגניות בעלות תפוקה גבוהה יותר.

סוללות מתכת ליתיום שימשו כמקרה המבחן העיקרי לעבודה זו, והן מדגימות את התועלת הרחבה של טכניקות cryo-SEM: הן כוללות מבנים עדינים בעלי עניין מדעי 4,5,9,10,11,12, יש להן כימיה שונה באופן נרחב שתתגלה באמצעות EDX 2, וטכניקות קריוגניות נדרשות כדי לשמר את הליתיום הריאקטיבי 5, 21. בפרט, מרבצי הליתיום הלא אחידים המכונים דנדריטים, כמו גם הממשקים עם האלקטרוליט הנוזלי נשמרים וניתן לצלם ולמפות אותם עם EDX 4,5,12. בנוסף, ליתיום בדרך כלל היה מתחמצן במהלך ההכנה ויוצר סגסוגת עם גליום במהלך הטחינה, אך האלקטרוליט המשומר מונע חמצון וטמפרטורות קריוגניות מפחיתות תגובות עם גליום5. מערכות רבות אחרות (התקני אנרגיה במיוחד) כוללות מבנים עדינים באופן דומה, כימיה מורכבת וחומרים תגובתיים, כך שהצלחת cryo-SEM בחקר סוללות מתכת ליתיום יכולה להיחשב אינדיקציה מבטיחה לכך שהיא מתאימה גם לחומרים אחרים.

הפרוטוקול משתמש במערכת FIB/SEM בעלת קרן כפולה המצוידת בשלב קריוגני, תא הכנה קריוגני ומערכת העברה קריוגנית, כמפורט בטבלת החומרים. להכנת הדגימות המשותקות בקריו יש תחנת עבודה עם "סיר רפש", שהוא סיר מבודד קצף שיושב בתא ואקום בתחנה. רפש הסיר הכפול המבודד בקצף מכיל תא חנקן ראשי ותא משני המקיף את הראשון ומפחית את הרתיחה בחלק העיקרי של הסיר. לאחר מילוי בחנקן, מניחים מכסה מעל הסיר וניתן לפנות את המערכת כולה ליצירת חנקן רפש. מערכת העברה הכוללת תא ואקום קטן משמשת להעברת הדגימה תחת ואקום לתא ההכנה או "ההכנה" של המיקרוסקופ. בתא ההכנה ניתן לשמור את הדגימה בטמפרטורה של -175 מעלות צלזיוס ולפזר מצופה בשכבה מוליכה, כגון סגסוגת זהב-פלדיום. גם תא ההכנה וגם תא ה-SEM כוללים שלב מקורר קריוגני להחזקת הדגימה, ונוגד מזהמים לספיחת מזהמים ולמניעת הצטברות קרח על הדגימה. המערכת כולה מקוררת בגז חנקן הזורם דרך מחליף חום שקוע בחנקן נוזלי, ולאחר מכן דרך שני שלבי הקריו ושני האנטי-מזהמים של המערכת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכינו את הדגימה והעבירו לתא ה-SEM

  1. הגדרת המיקרוסקופ
    1. עבור מערכות הממירות בין טמפרטורת החדר לציוד קריוגני, התקינו את שלב ה-cryo-SEM ואת האנטי-מזהם בהתאם להוראות יצרן הציוד ופינו את תא ה-SEM.
    2. התאם את מקור הפלטינה של מערכת הזרקת הגז (GIS) כך שכאשר הוא מוחדר הוא יושב במרחק של כ-5 מ"מ יותר ממשטח הדגימה בהשוואה לניסויים טיפוסיים בטמפרטורת החדר. מיקום זה צריך להיות מותאם עבור כל מערכת כדי להבטיח ציפוי אחיד של משטח הדגימה. ב- FIB המשמש כאן, הדבר נעשה על ידי שחרור בורג קבוע בצד מקור ה- GIS וסיבוב הצווארון 3 סיבובים בכיוון השעון.
    3. הגדר את טמפרטורת ה-GIS ל-28 °C (70 °F), פתח את התריס ואת פתח האוורור למשך 30 שניות בטמפרטורה זו כדי לנקות את עודפי החומר. עשו זאת בטמפרטורת החדר, שכן האורגנומטלי יצפה כל משטח קר.
    4. הזז את הבמה למיקום הנכון לטעינת מעבורת הדגימה מתא ההכנה לתוך ה- SEM (זה ישתנה לפי מערכת).
    5. אפשרו לתא ה-SEM להתפנות למשך 8 שעות לפחות, כדי ליצור ואקום נמוך מספיק (בדרך כלל כ-4E-6 Torr) כדי למזער את זיהום הקרח במהלך הניסוי.
  2. הגדרת תחנת ההכנה הקריוגנית
    1. יש לפנות את הקווים המבודדים בשואב האבק למשך 8 שעות לפני השימוש.
    2. לפני קירור המיקרוסקופ, הזרימו גז חנקן יבש דרך קווי הגז במשך כ-15 דקות. זה צריך להיעשות בערך 5 ליטר לדקה, או את קצב הזרימה המרבי של המערכת. זה שוטף לחות מהמערכת כדי למתן את היווצרות הקרח בקווים בעת הקירור, מה שעלול לעכב את זרימת הגז.
    3. בעודכם עדיין זורמים גז בקצב הזרימה המרבי, סגרו את השסתום עבור הקווים המבודדים בריק, ואז העבירו את מחליף החום לחנקן הנוזלי Dewar.
    4. הגדר את הטמפרטורה של ה- SEM ואת שלבי ההכנה ל -175 °C (64 °F), ואת הטמפרטורה של נוגדי המזהמים ל -192 °C (64 °F). המתן עד שכל האלמנטים יגיעו לטמפרטורה שנקבעה כדי להמשיך.
  3. Vitrify את המדגם.
    1. ממלאים את סיר החנקן הכפול. התחילו במילוי הנפח העיקרי של הסיר, ואז מלאו את הנפח המקיף אותו כדי להפחית את מבעבע החנקן. המשיכו להוסיף עוד חנקן נוזלי לכל אחד מהם לפי הצורך עד שהרתיחות תיפסק.
    2. אוטמים את הרפש עם המכסה ומפעילים את משאבת הרפש. ממשיכים לשאוב עד שהחנקן הנוזלי מתחיל להתמצק.
    3. התחילו לאוורר את סיר הרפש. עבור חומרים רגישים לאוויר כמו סוללות ליתיום, זהו זמן טוב להכין את הדגימה להקפאת צלילה.
    4. ברגע שהלחץ גבוה מספיק כדי לאפשר את פתיחת הסיר, הניחו במהירות אך בעדינות את הדגימה בחנקן, והמתינו לפחות עד שהרתיחה תיפסק סביב הדגימה כדי להמשיך. הסר את כל הכלים מהחנקן הנוזלי בשלב זה כדי להפחית את הסיכויים לזיהום קרח.
    5. אם סיר הרפש פחות מחצי מלא, הוסיפו עוד חנקן נוזלי.
    6. העבר את הדגימה למעבורת SEM. הניחו את כל הכלים הדרושים לאבטחת הדגימה או להעברתה בסיר החנקן הנוזלי ואפשרו להם להתקרר לחלוטין, כלומר להמתין לכל הפחות עד שה-LN2 יפסיק לרתוח סביב כל כלי, לפני שתיגעו בדגימה או במעבורת. חשיפה ממושכת לאטמוספרה, במיוחד כשהיא לחה, עלולה לגרום להיווצרות גבישי קרח בחנקן הנוזלי, ולכן עדיף לעשות את הצעד הזה במהירות.
    7. חברו את המעבורת למוט ההעברה. כמו בכלים אחרים, קררו מראש את קצה המוט ב-LN2 לפני שנוגעים במעבורת.
    8. לשאוב על סיר הרפש ולצפות בלחץ. הרימו את הדגימה מתוך החנקן הנוזלי ואטמו אותה בתא הוואקום של מערכת ההעברה רגע לפני שהחנקן מתחיל לקפוא. בדרך כלל, ניתן לעשות זאת על ידי הרמת המעבורת כאשר הלחץ הוא ~ 8 mbar.
    9. מעבירים במהירות למנעול האוויר של תא ההכנה ומשאבים במערכת ההעברה. פתחו את תא הוואקום של מערכת ההעברה ברגע שלחץ נעילת האוויר נמוך מספיק כדי שהדבר ייעשה ללא כוח רב.
    10. לאחר שניתן לפתוח את תא ההכנה, העבירו במהירות את המעבורת לדוגמה לחדר והניחו על שלב ההכנה המקורר. נסוגו את מוט ההעברה וסגרו את דלת נעילת האוויר.
    11. בשלב זה, ניתן לפזר שכבת זהב-פלדיום של כ-5-10 ננומטר על משטח הדגימה כדי למתן את הטעינה. ערכי התחלה טיפוסיים הם 10 mA עבור 10 s, אם כי יש להתאים פרמטרים אלה עבור כל מערכת. לחלופין, ניתן לדמות את המשטח הלא מצופה, להעריך את היקף הטעינה ולהעביר בחזרה לתא ההכנה כדי לפזר את הפרווה.
    12. פתחו מחדש את מנעול האוויר, חברו את מוט ההעברה והמתינו דקה עד שסוף המוט יתקרר. לאחר מכן, פתחו את השסתום לתא ה-SEM הראשי והעבירו את מעבורת הדגימה במהירות ובצורה חלקה ככל האפשר אל במת ה-SEM המקוררת. נסוגו את מוט ההעברה ואחסנו אותו תחת ואקום כדי למנוע זיהום קרח במקרה שיהיה בו צורך שוב.
      אזהרה: חנקן נוזלי עלול לגרום לפציעה אם הוא נחשף לעור. טפלו בזהירות בעת לבישת ציוד המגן האישי המתאים. אין להניח במיכל אטום, שכן אידוי עלול לגרום להצטברות לחץ.

2. צלמו את משטח הדגימה ואתרו תכונות

הערה: הזמן הנדרש כדי להתחיל בהדמיה מספיק בדרך כלל כדי לאפשר לדגימה להגיע לשיווי משקל תרמי בשלב הקריו, במיוחד אם שני השלבים בתא ההכנה ובתא ה- SEM מקוררים לאותה טמפרטורה וזמן ההעברה של המעבורת משלב אחד למשנהו ממוזער.

  1. הגדר את הפרמטרים של הקרן לפני ההדמיה, החל במתח מתון (~5 קילו-וולט) ובזרם מתון (~0.4 nA). עבור דגימות עדינות במיוחד, ייתכן שמשתמשים ירצו להפחית ערכים אלה, ודגימות חזקות יותר עשויות לסבול מתח וזרם גבוהים יותר.
  2. דמיין את המשטח החל מהגדלה נמוכה (100x), התמקד ובצע את כל הצעדים הנדרשים על ידי המכשיר. לדוגמה, במשתמש FIB כאן, מרחק העבודה הנמדד חייב להיות מקושר למיקום הבמה. הערך את המדגם עבור שינויים בניגודיות או בצורה לפני שתתמקד בהגדלה גבוהה יותר כדי להפחית את הטעינה.
  3. הביאו את הדגימה לגובה אוצנטרי בקירוב וקחו תמונה נוספת בהגדלה נמוכה יחסית (100-200x).
  4. בחרו אזור בדיקה קורבני עם הנוזל המחוספס וזהו בעיות פוטנציאליות עקב נזק לקורה או טעינה. התחל הדמיה בהגדלה של 100x עבור 5 שניות, לאחר מכן הגדל את ההגדלה לכ-1,000x ואת התמונה לעוד 5 שניות, ואז הקטן את ההגדלה ל-100x, אסוף תמונה אחת והשהה את הקרן. אם האזור שנחשף בהגדלה גבוהה שינה את הניגודיות, הדגימה עלולה להזיק או לטעון, ועל המשתמשים לשקול שוב להתאים את פרמטרי הקרן או לפזר מחדש את הציפוי. להליך מפורט יותר ראו הפניה18.
  5. חפש במדגם את אזורי העניין. תהליך זה ישתנה במידה ניכרת לפי מדגם ועשוי לדרוש ניסויים מסוימים. תכונות המשתרעות באופן משמעותי מעל פני השטח שמסביב יגרמו ככל הנראה להגבהה דומה של הנוזל המחודד, בעוד שתכונות אחרות עשויות להיות מוסתרות.
    1. אם לא ניתן לאתר את התכונות המעניינות, מפת EDX עשויה לעזור. כאשר הדגימה עדיין מכוונת לנורמליות לקרן האלקטרונים, בצע את הליך המיפוי של EDX המתואר בשלב 4.
  6. כאשר תכונות מעניינות ממוקמות, שמור תמונות הגדלה נמוכות וגבוהות של פני השטח, כמו גם את מיקום הבמה.
  7. חזור על הפעולה כדי לאתר כמה אתרים שתרצה.
  8. בחר אזור לצילום ראשון ויישר אזור זה לגובה אוצנטרי בהתאם לפרוטוקול המכשיר.
  9. הטה את הדגימה כך שהמשטח יהיה תקין לכיוון מחט הפלטינה GIS, והכנס את מחט ה- GIS. מחממים אותו ל-28 מעלות צלזיוס ופותחים את השסתום למשך כ-2.5 דקות, ואז מחזירים את המקור. זה אמור לייצר שכבה אחידה של פלטינה אורגנומטלית לא חתוכה, והמשתמש יכול לדמות בקצרה את משטח הדגימה כדי לאשר כיסוי אחיד. זמן התצהיר ישתנה בין המכשירים ויש להתאים אותו כדי להבטיח שכבה אחידה בעובי 1-2 מיקרומטר.
  10. הטה את מעבורת הדגימה לכיוון מקור ה-FIB וחשוף את הפלטינה האורגנומטלית לקרן יונים של 30 קילו-וולט ב-2.8 nA, הגדלה של פי 800 במשך 30 שניות. תמונה עם קרן האלקטרונים כדי לוודא שהמשטח חלק וחסר סימני טעינה.

3. הכינו חתכים

  1. צלם תמונה של משטח הדגימה באמצעות קרן היונים ב- 30kV וזרם כרסום בתפזורת נמוכה יותר (~ 2.8 nA), זהה את תכונת העניין ומדוד את המיקום הגס של החתך. תעלות שנטחנו באמצעות כ-2.8 nA יכולות להיות ממוקמות במרחק של 1 מיקרומטר מהחתך הסופי, והן צריכות לעבור את כל צדי תכונת העניין בכמה מיקרונים. יש למקם חלונות צדדיים (ראה 3.2) עם קצה אחד הסמוק בערך עם החתך הסופי הרצוי.
  2. צור חלון צדדי עבור צילומי רנטגן לפני כרסום התעלות הראשיות כדי להפחית את המיקום מחדש.
    1. ציירו חתך רגיל המסובב 90° ביחס למקום שבו תהיה התעלה. הכיוון יהיה תלוי בתצורה של כל גלאי EDX; מניחים את הקצה הרדוד של תעלה זו לכיוון גלאי ה-EDX. בתוכנת המכשירים המשמשת כאן, סיבוב זה נעשה על ידי לחיצה על הכרטיסייה מתקדם עבור התבנית והזנת זווית סיבוב, הנמדדת נגד כיוון השעון.
    2. הגדל מחדש את התבנית המסובבת כדי למקסם את מספר קרני הרנטגן כדי לצאת מפני השטח של החתך, באופן נומינלי 10 מיקרומטר מרובע. הגודל יהיה תלוי בגיאומטריה של הגלאי, ולעתים קרובות חלונות קטנים יותר יספיקו. משתמשים יכולים לזרז את ההליך על ידי קביעת הגודל המינימלי של תעלה זו.
  3. צור חתך רוחב רגיל גדול מספיק כדי לחשוף את תכונת העניין. ניתן לעשות זאת במהירות על ידי שימוש בזרם גבוה (~2.8 nA) כדי ליצור תעלה אחת, הורדת הזרם לניקוי, או לאט יותר על ידי עבודה רק בזרם נמוך יותר (~0.92 nA).
    1. צלם תמונה של משטח הדגימה באמצעות קרן היונים ב- 30 kV והזרם הרצוי (ראה דיון לבחירת הזרם). זהה את תכונת העניין והסלים את מיקום התעלה שנעשה ב- 3.1
      1. מידות התעלה ישתנו בהתאם לדוגמה, אך גודל אופייני הוא 25 מיקרומטר x 20 מיקרומטר. שני הממדים חייבים להיות גדולים מספיק כדי לאפשר לכל תכונת העניין להיות גלויה; x יקבע את רוחב החתך, בעוד ש-y יגביל את המרחק לתעלה שקרן האלקטרונים יכולה לראות. ודא שנותרו 1 מיקרומטר של חומר בין קצה תעלה זו לבין החתך הסופי הרצוי.
    2. הגדר את עומק z ל- 2 μm כאשר יישום הטחינה מוגדר לסיליקון והתחל לכרסום באמצעות התוכנה, אך השהה באופן קבוע את התהליך ודמיין את החתך באמצעות קרן האלקטרונים, ולאחר מכן חזור לכרסום לפי הצורך.
    3. חזרו על התהליך הזה עד שהתעלה עמוקה הרבה יותר מתכונת העניין, בדרך כלל בעומק של 10-20 מיקרומטר. דגימות המכילות חומרים מרובים יהיו לעתים קרובות בעלות זמני כרסום משתנים מאוד ועשויות להזדקק ליותר או פחות זמן ממה שקביעת העומק של 1 מיקרומטר תעריך. תעד את משך הזמן הדרוש ליצירת התעלה המחוספסת שתנחה את העומק שבו נעשה שימוש ב-3.4.
  4. יצירת חתך נקי סופי
    1. הנמיכו את זרם קרן היונים לכ-0.92 nA וצלמו תמונה. ודא את המיקום של התכונה המעניינת: אם שלב 3.1.3 נעשה כראוי, יישארו כ-1 מיקרומטר של חומר שיש לטחון.
    2. צייר חתך חתך ניקוי באמצעות תוכנת FIB. יש לחפוף את חלון הניקוי הזה עם התעלה המוכנה מראש ב-1 מיקרומטר לפחות כדי להקל על ההצבה מחדש.
    3. הגדר את עומק z, תוך שימוש בתצפיות משלב 3.3.3 כדי לקבוע את הערך. לדוגמה, אם נעשה שימוש במחצית הזמן בעומק של 1 מיקרומטר, הגדר מחדש את העומק ל- 0.5 מיקרומטר.
    4. תנו לחתך הניקיון לפעול ללא הפרעה. בסיום, דמיינו את החתך המנוקה באמצעות קרן האלקטרונים.

4. בצע מיפוי EDX

  1. בחר את תנאי הקרן המתאימים עבור המדגם (ראה דיון לפרטים)
  2. כוון את הדגימה כדי למקסם את ספירת קרני הרנטגן. לכל מכשיר יהיה גובה עבודה אידיאלי עבור EDX; להבטיח כי התכונה של עניין הוא בגובה זה. הטיה כך שקרן האלקטרונים המקרית תהיה קרובה ככל האפשר לנורמה לפני השטח המעניינים.
  3. הכנס את גלאי EDX וקבע את זמן התהליך המתאים. עבור דגימות רגישות מאוד לקרן, ייתכן שיהיה צורך לבדוק את התנאים הללו על אזור הקורבן של הדגימה לפני מיפוי אתר העניין.
    1. בתוכנה של הגלאי, עבור אל Microscope Setup והתחל את תמונת קרן האלקטרונים, ואז לחץ על הרשומה. זה ימדוד את שיעור הספירה ואת זמן המתים.
    2. רשמו גם את זמן המתים הממוצע וגם את שיעור הספירה. הזמן המת האידיאלי ישתנה בין גלאים, אך עבור אוקספורד X-max 80 הערכים האופייניים נעים בין 15-25. ערכים נמוכים יותר יתנו רזולוציה טובה יותר, וערכים גבוהים יותר מתאימים לשיעורי ספירה גבוהים יותר.
    3. אם יש צורך להתאים את זמן המתים, שנה את קבוע הזמן של EDX (הידוע גם בשם זמן תהליך). זמן תהליך נמוך יותר ייתן זמן מת נמוך יותר, ולהיפך. חזרו על הפעולה עד שזמן המתים נמצא בטווח הרצוי.
    4. ודא ששיעור הספירה סביר. שיעורי ספירה נמוכים יותר (1,000 ספירות לשנייה ומטה) ידרשו זמני רכישה ארוכים יותר, מה שמגדיל את הסבירות שהמפות יעוותו על ידי סחף דגימה. אם קצב הספירה נמוך מדי, שקול להגדיל את זרם הקרן והמתח, או להגדיל את זמן התהליך.
  4. לאחר שנקבע תנאי הגלאי, אספו את תמונת קרן האלקטרונים.
    1. עבור אל הגדרת תמונה ובחר את עומק הסיביות ואת רזולוציית התמונה, בדרך כלל 8 סיביות ו- 512 x 448 או 1024 x 896.
    2. התאם את תנאי ההדמיה עבור תוכנת EDX. לעתים קרובות תנאי ההדמיה מכוילים באופן שונה בתוכנת EDX מאשר בתוכנה של ה-SEM עצמה, ויהיה צורך להתאים את ההגדלה, הבהירות והניגודיות בהתאם. ב- INCA לחץ על כפתור ההקלטה בחלון האתר של העניין, התאם את התמונה לפי הצורך, ולאחר מכן הקלט תמונה נוספת, תוך איטרציה לפי הצורך.
  5. התאם את הגדרת המיפוי בתוכנת EDX.
    1. בחר את רזולוציית מפת הרנטגן, טווח הספקטרום, מספר הערוצים וזמן השהייה במפה. הרזולוציה של מפת EDX חייבת להיות נמוכה יותר מתמונת האלקטרונים (בדרך כלל 256 x 224), וטווח האנרגיה יכול להיות נמוך כמו אנרגיית הקרן שבה נעשה שימוש. בדרך כלל, נעשה שימוש במספר הערוצים המרבי, וזמן השהייה מוגדר ל-400 מיקרון.
    2. בתוכנת EDX, בחר את האזור שעליו ניתן למפות. ניתן לעשות זאת על ידי בחירת שדה הראייה כולו, או על ידי בחירת אזור קטן יותר בתמונת קרן האלקטרונים אשר עשוי לזרז את התהליך.
  6. התחל לרכוש את מפת EDX. אפשרו לזה לפעול עד שייאספו מספר מספיק של ספירות (ראו את הדיון בהמשך). בחלון המפות האלמנטליות מוצגות מפות מעובדות מראש, ואם התכונות מתחילות להיטשטש במהלך תהליך זה זהו סימן לכך שהמדגם נסחף או ניזוק. במקרה זה, שקול לעצור את המפה ולהשתמש בתוכנת SEM כדי לקבוע את הבעיה.
  7. כאשר המפה הושלמה, שמור את מפת EDX כקוביית נתונים, שהיא מערך תלת-ממדי עם ציר עבור שתי הקואורדינטות המרחביות בתמונה, וציר לאנרגיה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

שיטה זו פותחה על מערכת FIB/SEM כפולה המצוידת בשלב קריוגני זמין מסחרית, נוגד מזהם ותא הכנה. לקבלת פרטים, עיין בטבלת החומרים. בדקנו שיטה זו בעיקר על סוללות ליתיום מתכת עם מספר אלקטרוליטים שונים, אך השיטה ישימה לכל ממשק מוצק-נוזלי שיעמוד בכמות המינון המיושמת במהלך מיפוי EDX.

איור 1 ממחיש את המרכיבים השונים של המערכת הקריוגנית המשמשת כאן: סיר הרפש (איור 1A) שבו הדגימות מוקפאות, מערכת ההעברה (איור 1B) הכוללת תא ואקום לאחסון המעבורת במהלך ההעברה, תא ההכנה או ה"הכנה" (איור 1C,D) שבו הדגימות מצופות, והשלב הקריוגני SEM עצמו (איור 1E). איור 2 (מותאם מ-Zachman, et al. 2020)5 משווה כרסום של רדיד ליתיום חשוף בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס ו-165 מעלות צלזיוס-, ומדגיש כיצד קירור לטמפרטורות קריוגניות יכול לסייע בשימור דגימות במהלך כרסום FIB. עבור ניסויי EDX, יש לייעל את גיאומטריית הטחינה של FIB ולקחת בחשבון את מיקום גלאי ה-EDX כפי שמוצג באופן סכמטי באיור 3. איור 3A מתאר את מערך הטחינה הנצפה מכיוון קרן היונים: תעלה ראשית וחלון צד נוצרים תחילה, כאשר החלון הצדדי מסובב בכיוון השעון ב-270 מעלות כדי לייצר את שיפוע העומק הרצוי ביחס למיקום גלאי ה-EDX. לאחר מכן, חתך ניקוי נטחן (תיבה כחולה באיור 3A) כדי ליצור את הפנים הסופיות של החתך. החלון הצדדי נטחן לפחות 1 מיקרומטר מעבר לקצה התעלה הראשית המקורית, כך שחתך הניקוי יהיה לפחות צמוד לצד התעלה הזו. החלון הצדדי הטחון יוצר קו ראייה מכל נקודה בחתך רוחב ועד לגלאי (איור 3B).

באיור 4, איור 5 ובאיור 6, אנו מתמקדים במערכת חומרים אחת: התצהיר הראשוני של ליתיום על מצע ליתיום המחובר לאספן זרם נירוסטה באלקטרוליט דיוקסולן (DOL)/דימתוקסיאתאן (DME). ראשית, אנו מדגימים באיור 4 את ההבדל בין דגימה משותקת קריו-משותקת היטב לבין דגימה מוכנה היטב, ושניהם משתמשים בסוללת הליתיום-מתכת כדוגמה. ויטריפיקציה לא נכונה עלולה להוביל לשינויים מורפולוגיים כמו גם להתגבשות, בעוד שחשיפה לאוויר גורמת לזיהום קרח. באיור 4, שתי הדגימות הוכנו באופן נומינלי על פי אותו הליך, אולם חשיפה קצרה לאוויר גרמה ככל הנראה לתגובות פני השטח של הדגימה המוצגת באיור 4B, אולי בשל שכבת אלקטרוליט דקה יותר על פני השטח של אלקטרודת הליתיום. סינון של כל דגימה לאחר טעינה לתוך cryo-FIB מסייע לזהות בעיות פוטנציאליות עקב תהליך הוויטריפיקציה. איור 5 מראה את התוצאות של מיפוי משקע ליתיום ב-1,3-דיוקסולן/1,2-דימתוקסיאתאן (DOL/DME) עם תנאים לא אופטימליים (3 kV, 1.1 nA). התכונה הכהה במרכז החתך באיור 5A מציגה וריאציות ניגודיות, ככל הנראה אינדיקציה לממשק שהשתמר היטב בתחילה. עם זאת, חלק גדול מהפרט הזה הולך לאיבוד עקב נזקי קרינה במהלך המיפוי (איור 5B). לעומת זאת, איור 6 מראה מפה של ליתיום מת (גושים של ליתיום שאינם מחוברים עוד לאלקטרודה) המוטמעים באלקטרוליט מויטרואיד ומצע הליתיום שמתחתיו נעשתה ב-2 קילו-וולט וב-0.84 nA, מה ששימר את המורפולוגיה. אף על פי שנזק מסוים עדיין נראה באיור 6B, ההיקף מצטמצם באופן משמעותי.

מיפוי EDX יכול לשמש גם כדי למקם מבנים קבורים. איור 7 (מותאם מתוך Zachman, 2016)19 מדגים את השימוש ב-EDX לאיתור ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל הגדלים בהידרוג'ל סיליקה. סריקות שדה ראייה גדולות מאפשרות זיהוי של אזורי עניין (איור 7A,D), בעוד שסריקות מקומיות יותר (איור 7B,E) יכולות לשמש לכרסום ספציפי לאתר (איור 7C,F), במקרה זה כהכנה ל-cryo-lift-out.

יש להשתמש בנהלי בטיחות סטנדרטיים לטיפול בקריוגנים (כלומר חנקן נוזלי וחנקן רפש) בעת ביצוע הליך זה, ויש לטפל בסוללות מתכת ליתיום עם ציוד המגן האישי המתאים ולהשליך אותן בבטחה.

Figure 1
איור 1: נעשה שימוש ברכיבים של מערכת FIB/SEM הקריוגנית. החלק העיקרי והמאגר שמתחת לבידוד הקצף מלאים בחנקן נוזלי, אשר מומר לחנקן רפש על ידי הפחתת הלחץ מעל החנקן הנוזלי באמצעות משאבת ואקום. הדגימות צוללות קפואות בחנקן הרפש ומחוברות למעבורת לפני שהרציף האנכי משמש להרמת המעבורת החוצה על זרוע ההעברה. (ב) החלק הפנימי של מערכת ההעברה. מנעול אוויר קטן מחזיק את המעבורת תחת ואקום חלש במהלך ההעברה לתא ההכנה, והזרוע עצמה (לא מוצגת) מאפשרת למשתמשים להעביר את הדגימה אל הבמה המקוררת בקריוגנית. (C) מבט מבחוץ על תא ההכנה, שבו ניתן לצפות דגימות לפני ההדמיה. (ד) תקריב של שלב הקריו בתא ההכנה. (E) מערכת הקריו בתוך תא ה-SEM, הכוללת את הבמה ואת האנטי-מזהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: השוואה של כרסום רדיד ליתיום בטמפרטורת החדר לעומת טמפרטורה קריוגנית. פני החתך אינם חלקים ונמצא חומר נוסף. זוהי ככל הנראה סגסוגת ליתיום-גליום שנוצרה במהלך כרסום עם קרן יון הגליום. (ב) תעלה שנטחנה באמצעות חתך ניקוי. הפנים נקיות כעת, אך ההצבה מחדש בתעלה מבוטא. (C) זהה ל-(A) אך נעשה בטמפרטורה של -165  מעלות צלזיוס. הפנים חסרות את סגסוגת הליתיום-גליום, והמיקום מחדש מצטמצם. (D) זהה ל-(B) אך מבוצע בטמפרטורה של -165  מעלות צלזיוס. התעלה הסופית והחתך הסופיים נקיים ביותר. יחד, זה מצביע על כך שטכניקות FIB מבוססות יונים של גליום אינן תואמות לדגימות ליתיום בטמפרטורת החדר, אך הן תואמות בטמפרטורות קריוגניות. מעובד מתוך זוכמן, 20205. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: הגדרת חלונות כרסום, כולל חלון צדדי לשיפור תפוקת הרנטגן. (A) שרטוט המציג את התכונות העיקריות של תהליך הטחינה (המיקומים אינם מדויקים). התעלה הראשית והחלון הצדדי מצוירים ומציגים את כיוון העומק ההולך וגדל (המסומן הן על ידי החצים המסומנים והן על ידי השיפוע בהצללה), וחתך הניקוי (כחול) מוצג חופף חלקית לתעלה הראשית. החלון הצדדי מיושר יחסית למיקום גלאי EDX כדי לאפשר זיהוי של צילומי רנטגן הנוצרים מכל החתך. (ב) סקיצה המדגימה את היתרון של החלון הצדדי. כאשר גשושית האלקטרונים סורקת את החתך, אלקטרונים מעוררים קרני רנטגן, הנמדדות על ידי גלאי EDX. ללא חלון צדדי, אפקטים של צל יגרמו לחלקים של החתך (כגון החלק התחתון מימין כאן) להיראות כהים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: תוצאות של ויטריפיקציה והעברה לא תקינים. בעוד שפיקדונות גורמים לכמה וריאציות תלת-ממדיות, האלקטרוליט המשותק לקריו הוא בדרך כלל חלק ואחיד. (B) תוצאה מייצגת של מדגם פחות שמור היטב של אותה מערכת. פני השטח מחוספסים הרבה יותר, והמרבצים אינם מכוסים במלואם על ידי אלקטרוליטים, מה שמרמז על כך שייתכן שתגובות הדגימה התרחשו עקב חשיפה ממושכת לאוויר במהלך ההכנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: מיפוי EDX של סוללת מתכת ליתיום עם הצללה מופחתת, אך נזק משמעותי. (A) תמונת קרן האלקטרונים לפני מיפוי EDX ב-3 kV ו-1.1 nA. (B) התמונה שלאחר המיפוי, המציגה נזק של מבנים קטנים יותר. (C) תמונת האלקטרונים המתאימה לאזור הממופה. (D) פחמן K-α מפה יסודית עם קווים אדומים המציינים את ההצללה. בתוך החלון הצדדי, יש הצללה משמעותית שאחרת הייתה מטשטשת את פני החתך. החלון הצדדי לא היה מיושר בצורה מושלמת ומשתרע מעט מעבר לפנים של החתך, וכתוצאה מכך ההצללה המוגבלת הנראית באזור זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 6
איור 6: מיפוי EDX של ליתיום מת בסוללת מתכת ליתיום עם מינימום נזק והצללה. (A) תמונת קרן האלקטרונים לפני מיפוי EDX ב-2 kV ו-0.84 nA עם כוכביות המסמנות את הליתיום המת. (B) התמונה שלאחר המיפוי, המציגה מעט מאוד נזק עקב תנאי קרן ממוטבים יותר. (C) תמונת האלקטרונים המתאימה לאזור הממופה. (D) פחמן K-α מפה יסודית עם קו אדום המציין השפעות הצללה קלות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 7
איור 7: מיפוי EDX לזיהוי תכונות קבורות של עניין. (A) תמונת SEM של הידרוג'ל סיליקה עם ננו-חלקיקים משובצים של תחמוצת ברזל. (B) תמונה דומה שנרשמה בהגדלה גבוהה יותר. (C) תמונת SEM של שתי תעלות שבמרכזן ננו-חלקיק של תחמוצת ברזל, הנוצרות כהכנה להרמה-קריו-יציאה של TEM lamella. (ד,ה) מפות EDX המתאימות ל- (A, B). בהגדלה גבוהה יותר (E), ניתן להבחין בבירור בין מספר חלקיקים עשירים בברזל בדגימה. על ידי השוואה עם (B), ניתן לקבוע כי חלקיק אחד מוטבע (מסומן בחץ) בהידרוג'ל, בעוד שאחרים אינם. מעובד מתוך זוכמן, 201619. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שיטת ההכנה הקריוגנית המתוארת כאן חשובה וחייבת להיעשות בצורה נכונה כדי שהכימיה והמורפולוגיה יישמרו8. הדאגה העיקרית היא להקפיא את הדגימה במהירות מכיוון שזה מה שמאפשר לנוזל להיות vitrified8. אם הדגימה מתקררת לאט מדי, נוזלים עלולים להתגבש וכתוצאה מכך שינוי במורפולוגיה6. כדי למנוע התגבשות, נעשה שימוש בחנקן רפש בהליך זה, שכן הוא מפחית את אפקט ליידנפרוסט ומאיץ את הקירור בהשוואה לחנקן נוזלי 8,23,24. כמו כן, נציין כי בהשוואה לתמיסות מימיות, נוזלים אורגניים רבים דורשים שיעורי קירור נמוכים משמעותית עבור ויטריפיקציה25,26, מה שמועיל להקפאת שכבות אלקטרוליטים אורגניות עבות יותר. קריוגנים אחרים כגון אתאן נוזלי או פרופאן משמשים לעתים קרובות באזורים אחרים8, עם זאת, קריוגנים אורגניים יכולים להמיס אלקטרוליטים אורגניים אשר יכול להולידממצאים 23,24. חנקן רפש אינו מקיים אינטראקציה עם נוזלים אורגניים ולכן הוא הקריוגן המועדף כאן. כדי להבטיח קירור מהיר, חשוב גם להסיר מסה זרה מהדגימה במהלך הצלילה כדי להפחית את קיבולת החום. ייתכן שיהיה צורך לחבר דגימות מסוימות (למשל, אנודות מתכת ליתיום) למחזיק כמו סטוב אלומיניום לתמיכה במהלך הצלילה, אך במידת האפשר, עדיף לחבר את הדגימה למחזיק תחת חנקן נוזלי, לאחר שהיא מוקפאת כראוי. לבסוף, הטמפרטורות הקריוגניות הופכות את הדגימה מועדת לזיהום קרח. לכן, חשוב שהדגימה תישמר תחת ואקום במהלך העברה מסיר הרפש לתא ההכנה.

טעינת דגימות ונזקי קרינה יכולים להוות אתגר משמעותי גם כאשר פועלים בטמפרטורות קריוגניות, הדורשים ציפויי מגן ובחירה קפדנית של פרמטרי קרן. השיטות העיקריות להפחתת השפעות אלה בהליך זה מתמקדות בהפחתת מתח הקרן ומתן נתיבים לפיזור המטען המצטבר. הפחתת מתח הקרן מציגה פשרה: בעוד שמתחים נמוכים יותר מפחיתים בדרך כלל את הצטברות המטען, את עומק נזקי הקרן ואת החום המועבר לדגימה16,17, הם גם מפחיתים את קצב הספירה עבור EDX ואת רזולוציית התמונה18. לכן מומלץ לקבוע את ההשפעה של כל מתח זמין ולהשתמש במתח הגבוה ביותר שאינו פוגע במדגם. כדי לפזר את המטען, הדגימה מצופה בתחילה בשכבה מוליכה דקה (5-10 ננומטר), כגון זהב-פלדיום ולאחר מכן שכבת פלטינה בעובי של כמיקרון אחד. מערכות FIB משתמשות בדרך כלל בגז פלטינה אורגנומטלי כדי לשאת את הפלטינה אל פני השטח של הדגימה. בתנאים קריוגניים מבשר זה מתעבה על משטח הדגימה הקרה ויוצר תרכובת אורגנית שאינה מוליכה המכילה פלטינה27. תהליך ריפוי שבמהלכו השכבה נחשפת לקרן היונים משחרר את הרכיב האורגני, ומאפשר ליצור שכבת פלטינה מוליכה. שלב זה הוא קריטי לתוצאות באיכות גבוהה מכיוון שהפלטינה גם מפזרת מטען וגם מפחיתה את השתלת הגליום13,27. הכוונת הדגימה כך שהמשטח יהיה תקין למקור GIS היא הדרך הטובה ביותר לקבל שכבה רציפה, ויהיה צורך להתאים את המיקום המדויק עבור כל מערכת. לבסוף, המדגם חייב להיות בעל נתיב מוליך רציף לקרקע כדי שהמטען העודף יתפוגג, המסופק על ידי חוט הארקה המחובר לבמה. בנוסף לחוט הארקה זה, הדגימה עצמה חייבת להיות מוליכות טובה למעבורת כדי שהטעינה תתפוגג.

הנוהל להכנת חתכים שונה רק במעט מהשיטה הסטנדרטית לעבודת FIB בטמפרטורת החדר17. השינוי העיקרי הוא תוספת של חלון צדדי כדי לאפשר יותר צילומי רנטגן לברוח מהתעלה. ללא חלון זה, צד אחד של התעלה יפיק צל על פני החתך במפות EDX. למרות שניתן היה להבטיח שהצל לא יטשטש את תכונת העניין על ידי הרחבת צד אחד של התעלה, פעולה זו תיקח זמן רב יותר מהשיטה המתוארת כאן. שימוש בחתך רוחב רגיל המסובב 90 מעלות ביחס לתעלה הראשית יוצר נתיב ישיר מכל נקודה בחתך רוחב לגלאי הרנטגן תוך הסרת כמות החומר המינימלית. המשתמשים צריכים לשקול את הכיוון של גלאי רנטגן בתא FIB ולמקם את החלון הצדדי בהתאם. השינוי העיקרי הנוסף הוא השימוש בזרמי כרסום נמוכים יותר כדי לשמר את הממשק. בטמפרטורת החדר, מקובל להשתמש בזרמי קרן יונים גבוהים יותר (~9.3 nA) כדי לטחון את רוב התעלות, ואז להפחית את הזרם כדי לטחון חלון קטן יותר לפני ניקוי17. כאן, מומלץ להשתמש בזרמים הגבוהים יותר בזהירות, שכן הוא פוגע בדגימות רבות.

מגבלה עיקרית של מיפוי EDX ב- cryo-FIB היא המספר הגדול של הספירות הנדרשות ביחס לשיעורי הספירה הניתנים להשגה בתנאים אופייניים. מפות מובהקות סטטיסטית דורשות יותר מ-100 ספירות לפיקסל, או בסדר גודל של 6 מיליון ספירות עבור מפה בגודל 256 x 25617. בהתחשב בכך שתנאי הקרן המתאימים לדגימות קריוגניות נותנים לעתים קרובות שיעורי ספירה נמוכים עד 1,000 ספירות בשנייה, משתמשים יכולים לצפות שהמפות יימשכו בין מספר דקות לשעה. הפעם זה לא רק מקטין את התפוקה, אלא גם מגביר את הרגישות לסחף דגימה, מה שמגביל את איכות המפות. לכן כדאי לייעל את שיעור הספירה. הצעד הראשון בכך יהיה לוודא שהדגימה נמצאת בגובה העבודה האופטימלי עבור הגלאי במערכת שבה נעשה שימוש. לאחר מכן, יש לאזן את הפרמטרים של הקרן כדי למקסם את תפוקת קרני הרנטגן מבלי לפגוע בדגימה. בטווח מתחי הקרן הנחשבים כאן (2-5 keV), קצב הספירה יגדל הן עם מתח הקרן והן עם הזרם17, ויש להשתמש בערכים הגבוהים ביותר שלא יגרמו נזק משמעותי או טעינה. עם זאת, הדגימה מגבילה לעתים קרובות את תנאי הקרן באופן משמעותי, וזה הופך להיות חשוב עוד יותר כדי לייעל את התנאים של גלאי EDX. הפרמטר העיקרי שיהיה צורך להתאים ידוע בשם "זמן תהליך" בתוכנת אוקספורד אינקה (הידועה גם בשם "קבוע זמן"), והשפעתו על מה שמכונה זמן מת של הגלאי17. הזמן המת הוא פרמטר פשוט, המוגדר כ:

Equation 1,

כאשר קצב ספירת הקלט מתייחס למספר האלקטרונים המתרחשים בגלאי, וקצב ספירת הפלט מתייחס למספר שהגלאי סופר כאות17. זמן התהליך הוא פרמטר מורכב, המייצג את הזמן המשמש לממוצע האות הנכנס. זמני תהליך ארוכים יותר מייצגים זמן רב יותר בממוצע האות, ולכן זמן תהליך גבוה יותר יוביל לזמן מת גבוה יותר. זמן מת נמוך מייצג את רוב צילומי הרנטגן הכלולים, ועבור יישום זה רצוי, אך הוא מגיע במחיר של רזולוציה17. בדרך כלל זמן התהליך מותאם כדי לתת זמן מת בין 15 ל -20%, אך במתחים וזרמים נמוכים יותר ייתכן שלא ניתן יהיה לשפר באופן משמעותי את הזמן המת.

FIB/SEM קריוגני עם EDX מספק את אחת הדרכים הבודדות לחקור הן את הכימיה והן את המורפולוגיה של ממשק מוצק-נוזלי שלם. שיטות כגון ספקטרוסקופיית אינפרה-אדום של התמרת פורייה (FTIR), ספקטרוסקופיית ראמאן ו-XPS משמשות בדרך כלל לחקר הכימיה של סוללות, אך חסרות רזולוציה מרחבית המסופקת על-ידי מיפוי EDX2. XPS היא בדרך כלל טכניקה הרסנית, אך נעשה שימוש בטמפרטורות קריוגניות גם כדי לשמר ממשקים מוצקים-נוזליים שלמים במהלך ניתוח XPS28. מורפולוגיה מאופיינת לעתים קרובות באמצעות SEM, מיקרוסקופיית אור, מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM) ומיקרוסקופיית בדיקה סורקת (SPM)2. Cryo-TEM/STEM הראתה רזולוציה מרחבית מעולה 4,9,11,21,21,22 עם מיפוי כימי עשיר יותר במידע המסופק על ידי EELS 4 אך היא טכניקת תפוקה נמוכה. הדגימות חייבות להיות דקות באופן מגביל, ודורשות תכנון דגימה ספציפי ביותר (כגון ליתיום שגדל על רשת TEM 9,11,21,22) או מוכן מדגימה מקרוסקופית באמצעות הרמה של cryo-FIB 4,19. לאחרונה, Schreiber, et al.13 תיארו שימוש בשיטות cryo-FIB כדי להכין ממשקים מוצקים-נוזליים שלמים למחקר באמצעות טומוגרפיה של גשושית אטום. עם זאת, הליך זה הוא בעל תפוקה נמוכה יחסית ומסתכל בעיקר על13,14 בקנה מידה ננומטרי, מה שהופך את היישומים שלו לנבדלים ממיפוי cryo-SEM EDX.

למרות היתרונות הבולטים של שיטה זו, היא אינה נטולת מגבלות. כפי שפורט קודם לכן, יש לנקוט משנה זהירות כדי למנוע נזק לדגימה במהלך מיפוי EDX, וכמות קטנה של נזק עלולה להתגלות כבלתי נמנעת. הציוד הספציפי המשמש לפיתוח עבודה זו יש מגבלות משלו. בעוד שזיהוי ליתיום על ידי EDX אפשרי28, הוא דורש שימוש בגלאי המותאם במיוחד לקרני רנטגן באנרגיה נמוכה אשר לא נעשה בעבודה זו. גלאי רגיש יותר גם ישפר את יעילות איסוף קרני הרנטגן ובכך יפחית את מינון האלקטרונים הנדרש למיפוי EDX. לאחר מכן, הטכניקה אינה תואמת באופן מיידי את כל הגיאומטריות של המדגם. לדוגמה, דגימות סוללה מסוימות נוטות לכלול שכבת אלקטרוליטים עבה (30-100 מיקרומטר) בעת הקפאה אשר תדרוש זמני כרסום ארוכים באופן לא מעשי בעת שימוש ב- FIB סטנדרטי של יון גליום. לעתים קרובות ניתן לבצע שינויים קלים כדי להתגבר על מגבלה זו. מצאנו שניתן להפחית את עובי האלקטרוליטים על ידי מעבר ממפריד טבעת O למפריד ממברנה. עם זאת, ההשפעות של שינויים כאלה ישתנו בין דגימות ויש לעשות זאת תוך התחשבות זהירה. לבסוף, השלב הקריוגני Quorum הוא מודל מוקדם אשר חסר סיבוב על הציר האנכי, ומגביל את התצפיות לכיוון קבוע. הפעלת סיבוב שלבים תוך שמירה על טמפרטורת דגימה קריוגנית יציבה תשפר את קלות השימוש אך לא סביר שתשפר משמעותית את איכות התוצאות או תרחיב את היקף הטכניקה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

אנו מכירים מאוד בתרומתם של שואנג-יאן לאנג והקטור ד. אברוניה שסיפקו דוגמאות למחקר שלנו. עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (NSF) (DMR-1654596) ועשתה שימוש במרכז קורנל למתקני מחקר חומרים הנתמכים על ידי ה- NSF תחת מספר פרס 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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Schmickler, W., Santos, E. Interfacial Electrochemistry. , Springer Berlin Heidelberg. Berlin, Heidelberg. (2010).
  2. Cheng, X. -B., Zhang, R., Zhao, C. -Z., Wei, F., Zhang, J. -G., Zhang, Q. A review of solid electrolyte interphases on lithium metal anode. Advanced Science. 3 (3), 1500213 (2016).
  3. Allen, F. I., et al. Morphology of hydrated as-cast Nafion revealed through cryo electron tomography. ACS Macro Letters. 4 (1), 1-5 (2015).
  4. Zachman, M. J., Tu, Z., Choudhury, S., Archer, L. A., Kourkoutis, L. F. Cryo-STEM mapping of solid-liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries. Nature. 560 (7718), 345-349 (2018).
  5. Zachman, M. J., Tu, Z., Archer, L. A., Kourkoutis, L. F. Nanoscale elemental mapping of intact solid-liquid interfaces and reactive materials in energy devices enabled by cryo-FIB/SEM. ACS Energy Letters. 5 (4), 1224-1232 (2020).
  6. Dubochet, J. The physics of rapid cooling and its implications for cryoimmobilization of cells. Methods in Cell Biology. 79, 7-21 (2007).
  7. Kourkoutis, L. F., Plitzko, J. M., Baumeister, W. Electron microscopy of biological materials at the nanometer scale. Annual Review of Materials Research. 42 (1), 33-58 (2012).
  8. Dubochet, J., et al. Cryo-electron microscopy of vitrified specimens. Quarterly Reviews of Biophysics. 21 (2), 129-228 (1988).
  9. Wang, X., Li, Y., Meng, Y. S. Cryogenic electron microscopy for characterizing and diagnosing batteries. Joule. 2 (11), 2225-2234 (2018).
  10. Zachman, M. J., de Jonge, N., Fischer, R., Jungjohann, K. L., Perea, D. E. Cryogenic specimens for nanoscale characterization of solid-liquid interfaces. MRS Bulletin. 44 (12), 949-955 (2019).
  11. Li, Y., Huang, W., Li, Y., Chiu, W., Cui, Y. Opportunities for cryogenic electron microscopy in materials science and nanoscience. ACS Nano. , (2020).
  12. Lee, J. Z., et al. Cryogenic focused ion beam characterization of lithium metal anodes. ACSEnergy Letters. 4 (2), 489-493 (2019).
  13. Schreiber, D. K., Perea, D. E., Ryan, J. V., Evans, J. E., Vienna, J. D. A method for site-specific and cryogenic specimen fabrication of liquid/solid interfaces for atom probe tomography. Ultramicroscopy. 194, 89-99 (2018).
  14. Perea, D. E., et al. Tomographic mapping of the nanoscale water-filled pore structure in corroded borosilicate glass. NPJ Materials Degradation. 4 (1), 1-7 (2020).
  15. Li, T., et al. Cryo-based structural characterization and growth model of salt film on metal. Corrosion Science. 174, 108812 (2020).
  16. Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
  17. Goldstein, J. I., et al. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , Springer New York. New York, NY. (2018).
  18. Joy, D. C., Joy, C. Low voltage scanning electron microscopy. Micron. 27 (3-4), 247-263 (1996).
  19. Zachman, M. J., Asenath-Smith, E., Estroff, L. A., Kourkoutis, L. F. site-specific preparation of intact solid-liquid interfaces by label-free in situ localization and cryo-focused ion beam lift-out. Microscopy and Microanalysis. 22 (6), 1338-1349 (2016).
  20. Padgett, E., et al. Editors' Choice-Connecting fuel cell catalyst nanostructure and accessibility using quantitative cryo-STEM tomography. Journal of The Electrochemical Society. 165 (3), 173-180 (2018).
  21. Li, Y., et al. Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo-electron microscopy. Science. 358 (6362), 506-510 (2017).
  22. Wang, J., et al. Improving cyclability of Li metal batteries at elevated temperatures and its origin revealed by cryo-electron microscopy. Nature Energy. 4 (8), 664-670 (2019).
  23. Oostergetel, G. T., Esselink, F. J., Hadziioannou, G. Cryo-electron microscopy of block copolymers in an organic solvent. Langmuir. 11 (10), 3721-3724 (1995).
  24. Echlin, P. Low-Temperature Microscopy and Analysis. , Springer US. Boston, MA. (1992).
  25. Koifman, N., Schnabel-Lubovsky, M., Talmon, Y. Nanostructure formation in the lecithin/isooctane/water system. The Journal of Physical Chemistry B. 117 (32), 9558-9567 (2013).
  26. Hayles, M. F., Stokes, D. J., Phifer, D., Findlay, K. C. A technique for improved focused ion beam milling of cryo-prepared life science specimens. Journal of Microscopy. 226 (3), 263-269 (2007).
  27. Shchukarev, A., Ramstedt, M. Cryo-XPS: probing intact interfaces in nature and life. Surface and Interface Analysis. 49 (4), 349-356 (2017).
  28. Hovington, P., et al. Can we detect Li K X-ray in lithium compounds using energy dispersive spectroscopy. Scanning. 38 (6), 571-578 (2016).

Tags

הנדסה גיליון 185 FIB קריוגני SEM קריוגני ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן המפזרות אנרגיה ממשקים נוזליים מוצקים התקני אגירת אנרגיה
אפיון בקנה מידה ננומטרי של ממשקים נוזליים-מוצקים על ידי צימוד כרסום קרן יונים ממוקד קריו עם מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת וספקטרוסקופיה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Moon, T., Colletta, M., Kourkoutis,… More

Moon, T., Colletta, M., Kourkoutis, L. F. Nanoscale Characterization of Liquid-Solid Interfaces by Coupling Cryo-Focused Ion Beam Milling with Scanning Electron Microscopy and Spectroscopy. J. Vis. Exp. (185), e61955, doi:10.3791/61955 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter