Kriyo-Odaklı İyon Işını Frezelemeyi Taramalı Elektron Mikroskobu ve Spektroskopi ile Birleştirerek Sıvı-Katı Arayüzlerinin Nano Ölçekli Karakterizasyonu

Kriyo-SEM ve FIB yöntemi, numunelerin doğal yapısını korurken katı-sıvı arayüzlerini ve biyolojik numuneleri incelemek için kullanılabilir. Bu tekniğin temel avantajı, kriyo-SEM'in kullanıcının onlarca nanometre çözünürlüğe sahip madeni para hücresi pil elektrotları gibi makroskopik cihazların arayüzünü hızlı bir şekilde incelemesine izin vermesidir. Bir kriyo-SEM aşaması ve bir antikontaminant takarak başlayın.

SEM odasını boşaltın ve gaz enjeksiyon sistemini, CBS'yi, platin kaynağını ayarlayın, böylece yerleştirildiğinde, kaynak numune yüzeyinden yaklaşık beş milimetre uzağa oturacaktır. CBS sıcaklığını 28 santigrat dereceye ayarlayın ve fazla malzemeyi temizlemek için sistemi 30 saniye boyunca havalandırmak için deklanşörü açın. Ardından, SEM odasının en az sekiz saat boyunca tahliye edilmesine izin verin.

Tahliye süresinin sonunda, mikroskop ve hazırlık aşamalarını eksi 175 santigrat dereceye ayarlayın ve antikontaminatörü eksi 192 santigrat dereceye ayarlayın. Numuneyi vitrifiye etmek için, azot çift hazneli slusher'ın ana hacmini ve çevresindeki hacmi, sıvı azot köpürmeyi durdurana kadar sırayla sıvı azotla doldurun. Doldurulmuş slusher'ı kapakla kapatın ve rüşvet pompasını başlatın.

Sıvı azot katılaşmaya başladığında, rüşvet kabını havalandırmaya başlayın. Basınç, tencerenin açılmasına izin verecek kadar yüksek olduğunda, numuneyi azotun içine hızlı ama nazik bir şekilde yerleştirin. Numunenin etrafında kaynama durduğunda, azot donmaya başlamadan hemen önce numuneyi önceden soğutulmuş bir SEM mekiğinin vakum odasına aktarmak için önceden soğutulmuş bir transfer çubuğu kullanın.

Mekiği hızlı bir şekilde hazırlık odasının hava kilidine aktarın ve transfer sistemi üzerindeki pompayı pompalayın. İstenirse, şarjı azaltmak için numune yüzeyine beş ila 10 nanometre altın-paladyum tabakası püskürtün. Ardından, numune mekiğini soğutulmuş mikroskop aşamasına mümkün olduğunca hızlı ve sorunsuz bir şekilde aktarın.

Örnek yüzey görüntüleme için, önce numuneyi 100 X büyütmede görüntüleyin. Ardından, numuneyi yaklaşık ösentrik bir yüksekliğe getirin ve ikinci bir düşük büyütmeli görüntü elde edin. Vitrifiye sıvı içinde bir kurban test bölgesi seçin ve ışın hasarı veya şarj nedeniyle mevcut olabilecek olası sorunları belirleyin.

İlgilenilen bölgeler için örnekte arama yapın. Bir bölge tanımlandığında, numuneyi, yüzey platin CBS iğnesinin yönüne normal olacak şekilde eğin ve CBS iğnesini yerleştirin. Yüzeyi 28 santigrat dereceye ısıtın ve kaynağı geri çekmeden önce valfi yaklaşık 2,5 dakika açın.

Örnek mekiği odaklanmış iyon ışını kaynağına doğru eğin ve organo-metalik platini 2.8 nanoamperde 30 kilovoltluk bir iyon ışınına ve 30 saniye boyunca 800 X büyütmeye maruz bırakın. Ardından, yüzeyin pürüzsüz olduğunu ve herhangi bir şarj belirtisinden yoksun olduğunu doğrulamak için numune yüzeyini elektron ışını ile görüntüleyin. Bir kesit hazırlamak için, önce 30 kilovoltta iyon ışını ve numune yüzeyinin anlık görüntüsünü elde etmek için yaklaşık 2.8 nanoamperlik daha düşük bir dökme öğütme akımı kullanın.

İlgilenilen özelliği tanımlayın ve kesitin kabaca yerleştirilmesini ölçün. X-ışınları için bir yan pencere oluşturmak için, açmanın yapılacağı yere göre 90 derece döndürülmüş düzenli bir kesit çizin ve yan pencereyi bir kenarı kabaca istenen son kesitle aynı hizada olacak şekilde yerleştirin. Enine kesit yüzeyinden çıkacak x-ışınlarının sayısını en üst düzeye çıkarmak için döndürülmüş deseni yeniden boyutlandırın.

İlgilenilen özelliği ortaya çıkaracak kadar büyük düzenli bir kesit oluşturmak için yüksek bir akım kullanın ve numune yüzeyinin anlık görüntüsünü elde etmek için 30 kilovolttaki iyon ışınını ve ilgilenilen akımı kullanın. İlgilenilen özelliği tanımlayın ve açmanın yerleşimini kesinleştirin. Açma, ilgi özelliğinin her iki tarafını da birkaç mikron kadar uzatmalıdır.

Açmanın kenarı ile istenen son kesit arasında bir mikrometre malzeme olduğunu onaylayın ve Z-derinliğini iki mikrometreye ayarlamak için frezeleme uygulamasını kullanın, gerektiğinde elektron demeti ile kesiti görüntülemek için frezeleme işlemini düzenli olarak duraklatın. Siper, ilgilenilen özellikten çok daha derin olduğunda, derinliği yönlendirmek için kaba hendek oluşturmak için gereken süreyi not edin. Son, temiz bir kesit oluşturmak için, iyon ışını akımını yaklaşık 0,92 nanoampere düşürün ve numune yüzeyini görüntüleyin.

İlgilenilen özelliğin konumunu doğruladıktan sonra, bir temizleme kesiti çizmek için odaklanmış iyon ışını yazılımını kullanın ve yeniden biriktirmeyi azaltmaya yardımcı olmak için temizleme penceresini önceden hazırlanmış hendekle en az bir mikrometre üst üste bindirin. Ardından, Z derinliği değerini ayarlamak üzere açmanın oluşturulması için gereken süreyi kullanın. EDX eşlemesi için, numune için uygun ışın koşullarını seçin ve x-ışını sayısını en üst düzeye çıkarmak için numuneyi yönlendirin.

EDX dedektörünü takın ve uygun işlem süresini ayarlayın. Dedektör yazılımında, Mikroskop Kurulumu'nu açın ve elektron ışını görüntüsünü başlatın. Sayım oranını ve ölü zamanı ölçmek için Hit Record'u tıklayın.

Ölü zamanın ayarlanması gerekiyorsa, EDX zaman sabitini değiştirin. Dedektör koşulları belirlendikten sonra, elektron ışını görüntüsünü toplayın ve bit derinliğini ve görüntü çözünürlüğünü seçmek için Görüntü Kurulumu'nu açın. X-ışını harita çözünürlüğünü, spektrum aralığını, kanal sayısını ve harita bekleme süresini seçin.

Enerji aralığı, kullanılan ışın enerjisi kadar düşük olabilir. Ardından, EDX yazılımında, eşlenecek alanı seçin. Harita tamamlandığında, haritayı veri küpü olarak kaydedin.

25 ve eksi 165 santigrat derecede öğütülmüş çıplak lityum folyoların bu görüntüleri, kriyojenik sıcaklıklara soğutmanın odaklanmış iyon ışını frezeleme sırasında numunelerin korunmasına nasıl yardımcı olabileceğini vurgulamaktadır. EDX deneyleri için, odaklanmış iyon ışını frezeleme geometrisi optimize edilmeli ve EDX dedektörünün konumu dikkate alınmalıdır. Burada, her ikisi de lityum metal pili örnek olarak kullanan iyi hazırlanmış ve kötü hazırlanmış kriyo-immobilize bir numune arasındaki fark gözlemlenebilir.

Her iki örnek de nominal olarak aynı prosedüre göre hazırlanmış olmasına rağmen, havaya kısa bir süre maruz kalmak büyük olasılıkla kötü hazırlanmış numunede gözlemlenen yüzey reaksiyonlarına neden olmuştur. 1, 3-dioksalan, 1, 2-dimetoksietandaki bir lityum birikintisinin optimal olmayan koşullarla haritalanması, muhtemelen haritalama sırasında radyasyon hasarı nedeniyle kaybolan başlangıçta iyi korunmuş bir arayüzün göstergesi olan kontrast varyasyonlarına neden olur. Buna karşılık, vitrifiye elektrolit ve altındaki lityum substratına gömülü ölü lityumun bu haritası, örnek yüzey morfolojisini koruyarak iki kilovolt ve 0.84 nanoamperde gerçekleştirildi.

Haritalamadan sonra hala bazı hasarlar görülebilse de, hasarın kapsamı önemli ölçüde azalır. Bu analizde, bir silika hidrojelde yetiştirilen demir oksit nanopartiküllerini bulmak için EDX haritalaması kullanılmıştır. Geniş görüş alanı taramaları, ilgilenilen bölgelerin tanımlanmasına olanak tanırken, sahaya özgü frezeleme için daha yerelleştirilmiş taramalar kullanıldı.

Numune şarjı bu prosedürün başarısı için zararlı olabilir. Şarjın etkilerini sınırlamak için gerektiğinde ışın akımlarını ve bekleme sürelerini düşürmeyi unutmayın. Bundan sonra, TEM analizi için bölgeye özgü bir lamel hazırlamak için bir kriyo-FIB kaldırma işlemi gerçekleştirilebilir.

Numuneler alt angstrom çözünürlüğünde görüntülenebilir ve bir TEM cihazında EELS ve EDX kullanılarak kimyasal dağılımı haritalandırabilir.