Nanoskala Karakterisering af væske-faste grænseflader ved kobling af kryofokuseret ionstrålefræsning med scanningselektronmikroskopi og spektroskopi

Cryo-SEM- og FIB-metoden kan bruges til at studere grænseflader mellem fast væske og biologiske prøver, samtidig med at prøvernes oprindelige struktur bevares. Den største fordel ved denne teknik er, at cryo-SEM giver brugeren mulighed for hurtigt at undersøge grænsefladen mellem makroskopiske enheder som møntcellebatterielektroder med snesevis af nanometeropløsning. Begynd med at installere et cryo-SEM-trin og en antikontaminator.

Evakuer SEM-kammeret, og juster gasindsprøjtningssystemet, GIS, platinkilden, så kilden, når den indsættes, vil sidde cirka fem millimeter væk fra prøveoverfladen. Indstil GIS-temperaturen til 28 grader Celsius, og åbn lukkeren for at udlufte systemet i 30 sekunder for at fjerne overskydende materiale. Lad derefter SEM-kammeret evakuere i mindst otte timer.

I slutningen af evakueringsperioden skal du indstille mikroskopet og forberedelsestrinnene til minus 175 grader Celsius og indstille antikontaminatoren til minus 192 grader Celsius. For at forglase prøven skal du sekventielt fylde hovedvolumenet af nitrogen-dual-pot-slusheren og det omgivende volumen med flydende nitrogen, indtil det flydende nitrogen holder op med at boble. Forsegl den fyldte slusher med låget, og start slush pumpen.

Når det flydende nitrogen begynder at størkne, skal du begynde at udlufte slush pot. Når trykket er højt nok til, at potten kan åbnes, anbringes prøven hurtigt, men forsigtigt, i nitrogenet. Når kogningen er ophørt omkring prøven, skal du bruge en forkølet overførselsstang til at overføre prøven til vakuumkammeret i en forkølet SEM-shuttle, lige før nitrogenet begynder at fryse.

Overfør hurtigt rumfærgen til luftslusen i forberedelseskammeret og pumpen på overførselssystemet. Hvis det ønskes, skal du sputter fem til 10 nanometer af et guld-palladiumlag på prøveoverfladen for at afbøde opladningen. Overfør derefter prøvebussen så hurtigt og problemfrit som muligt til det afkølede mikroskoptrin.

Til prøveoverfladebilleddannelse skal du først afbilde prøven ved en 100 X forstørrelse. Derefter bringes prøven til en omtrent eucentrisk højde og erhverver et andet billede med lav forstørrelse. Vælg et offertestområde i den glaserede væske, og identificer eventuelle problemer, der kan være til stede på grund af stråleskader eller opladning.

Søg i eksemplet efter interesseområderne. Når et område er blevet identificeret, vippes prøven, så overfladen er normal i retning af platin GIS-nålen, og GIS-nålen indsættes. Varm overfladen op til 28 grader Celsius, og åbn ventilen i ca. 2,5 minutter, før kilden trækkes tilbage.

Vip prøvebussen mod den fokuserede ionstrålekilde, og udsæt det organisk-metalliske platin for en 30 kilovolt ionstråle ved 2,8 nanoampere og en 800 X forstørrelse i 30 sekunder. Forestil dig derefter prøveoverfladen med elektronstrålen for at kontrollere, at overfladen er glat og mangler tegn på opladning. For at forberede et tværsnit skal du først bruge ionstrålen ved 30 kilovolt og en lavere bulkfræsestrøm på ca. 2,8 nanoampere til at erhverve et øjebliksbillede af prøveoverfladen.

Identificer funktionen af interesse og mål den grove placering af tværsnittet. For at skabe et sidevindue til røntgenstrålerne skal du tegne et regelmæssigt tværsnit drejet 90 grader i forhold til, hvor grøften vil være, og placere sidevinduet med den ene kant groft flush med det ønskede endelige tværsnit. Ændr størrelsen på det roterede mønster for at maksimere antallet af røntgenstråler for at forlade tværsnitsoverfladen.

Brug en høj strøm til at skabe et regelmæssigt tværsnit, der er lige stort nok til at afsløre funktionen af interesse, og brug ionstrålen ved 30 kilovolt og strømmen af interesse til at få et øjebliksbillede af prøveoverfladen. Identificer funktionen af interesse og afslut placeringen af grøften. Grøften skal strække sig forbi hver side af funktionen af interesse med et par mikron.

Bekræft, at der er et mikrometer materiale mellem kanten af grøften og det ønskede endelige tværsnit, og brug fræseapplikationen til at indstille Z-dybden til to mikrometer, og sæt regelmæssigt fræsningsprocessen på pause for at afbilde tværsnittet med elektronstrålen efter behov. Når grøften er meget dybere end interessefunktionen, skal du bemærke den tid, der er nødvendig for at skabe den ru grøft til at styre dybden. For at skabe et endeligt, rent tværsnit skal du sænke ionstrålestrømmen til ca. 0,92 nanoampere og afbilde prøveoverfladen.

Når du har kontrolleret placeringen af den pågældende funktion, skal du bruge den fokuserede ionstrålesoftware til at tegne et rengøringstværsnit og overlappe rengøringsvinduet med den foruddefinerede grøft med mindst en mikrometer for at hjælpe med at afbøde omlejringen. Brug derefter den tid, der er nødvendig for at oprette grøften, til at indstille Z-dybdeværdien. For EDX-kortlægning skal du vælge de relevante stråleforhold for prøven og orientere prøven for at maksimere røntgentællingerne.

Indsæt EDX-detektoren, og indstil den relevante procestid. I detektorsoftwaren skal du åbne mikroskopopsætningen og starte elektronstrålebilledet. Klik på Hit Record for at måle tællefrekvensen og dødstiden.

Hvis dødtiden skal justeres, skal du ændre EDX-tidskonstanten. Når detektorbetingelserne er etableret, skal du indsamle elektronstrålebilledet og åbne Billedopsætning for at vælge bitdybde og billedopløsning. Vælg røntgenkortopløsning, spektrumområde, antal kanaler og kortets opholdstid.

Energiområdet kan være lige så lavt som den anvendte stråleenergi. Vælg derefter det område, der skal kortlægges, i EDX-softwaren. Når kortet er færdigt, skal du gemme kortet som en datakube.

Disse billeder af bar lithiumfolie fræset ved 25 og minus 165 grader Celsius fremhæver, hvordan afkøling til kryogene temperaturer kan hjælpe med at bevare prøver under fokuseret ionstrålefræsning. For EDX-eksperimenter skal den fokuserede ionstrålefræsningsgeometri optimeres, og EDX-detektorens position skal tages i betragtning. Her kan forskellen mellem en vel- og en dårligt forberedt kryo-immobiliseret prøve, begge ved hjælp af lithiummetalbatteriet som et eksempel, observeres.

Selv om begge prøver blev nominelt fremstillet efter samme procedure, resulterede en kort eksponering for luft sandsynligvis i de overfladereaktioner, der blev observeret i den dårligt forberedte prøve. Kortlægning af en lithiumaflejring i 1, 3-dioxolan, 1, 2-dimethoxyethan med ikke-optimale forhold resulterer i kontrastvariationer, sandsynligvis en indikation af en oprindeligt velbevaret grænseflade, der går tabt på grund af strålingsskader under kortlægning. I modsætning hertil blev dette kort over dødt lithium indlejret i forglaset elektrolyt og lithiumsubstratet nedenunder udført ved to kilovolt og 0,84 nanoampere, hvilket bevarede prøveoverflademorfologien.

Selv om nogle skader stadig er synlige efter kortlægningen, reduceres skadens omfang betydeligt. I denne analyse blev EDX-kortlægning brugt til at lokalisere jernoxidnanopartikler dyrket i en silicahydrogel. Store feltscanninger gjorde det muligt at identificere områder af interesse, mens mere lokaliserede scanninger blev brugt til stedsspecifik fræsning.

Prøveopladning kan være skadelig for succesen med denne procedure. Husk at sænke strålestrømmene og opholdstiderne efter behov for at begrænse virkningerne af opladning. Herefter kan en cryo-FIB lift-out udføres for at forberede en stedsspecifik lamel til TEM-analyse.

Prøver kan afbildes ved sub-angstrom opløsning og kortlægge den kemiske fordeling ved hjælp af ål og EDX i et TEM-instrument.