Caracterização em nanoescala de interfaces líquidas sólidas acoplando fresagem de feixe de íons focada em crio-focal com microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia

Summary

As técnicas de Feixe de Íons Focados Criogênicos (FIB) e Microscopia eletrônica de varredura (SEM) podem fornecer insights-chave sobre a química e a morfologia de interfaces de líquido sólido intacto. Os métodos para preparar mapas espectroscópicos de raios-X dispersivos de alta qualidade (EDX) de tais interfaces são detalhados, com foco em dispositivos de armazenamento de energia.

Abstract

Processos físicos e químicos em interfaces de líquido sólido desempenham um papel crucial em muitos fenômenos naturais e tecnológicos, incluindo catálise, energia solar e geração de combustível, e armazenamento de energia eletroquímica. A caracterização em nanoescala de tais interfaces foi recentemente alcançada usando microscopia eletrônica criogênica, fornecendo assim um novo caminho para avançar nossa compreensão fundamental dos processos de interface.

Esta contribuição fornece um guia prático para mapear a estrutura e a química das interfaces de sólido-líquido em materiais e dispositivos usando uma abordagem integrada de microscopia eletrônica criogênica. Nesta abordagem, emparelhamos a preparação de amostras criogênicas que permitem a estabilização de interfaces de líquido sólido com fresagem de íons criogênicos (crio-FIB) para criar seções transversais através dessas complexas estruturas enterradas. As técnicas de microscopia eletrônica de varredura criogênica (crio-SEM) realizadas em um FIB/SEM de feixe duplo permitem imagens diretas, bem como mapeamento químico na nanoescala. Discutimos desafios práticos, estratégias para superá-los, bem como protocolos para obtenção de resultados ideais. Embora nos concentremos em nossa discussão sobre interfaces em dispositivos de armazenamento de energia, os métodos descritos são amplamente aplicáveis a uma gama de campos onde a interface sólido-líquido desempenha um papel fundamental.

Introduction

As interfaces entre sólidos e líquidos desempenham um papel vital na função de materiais energéticos, como baterias, células de combustível e supercapacitores ^1,2,3. Ao mesmo tempo em que caracterizar a química e a morfologia dessas interfaces poderia desempenhar um papel central na melhoria dos dispositivos funcionais, fazê-lo apresentou um desafio substancial ^1,3,4. Os líquidos são incompatíveis com os ambientes de alto vácuo necessários para muitas técnicas comuns de caracterização, como espectroscopia de fotomissão de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia eletrônica de transmissão². Historicamente, a solução tem sido remover o líquido do dispositivo, mas isso vem às custas de estruturas delicadas potencialmente prejudiciais na interface ^2,4 ou modificando a morfologia³. No caso das baterias, especialmente aquelas que empregam metais alcalinos altamente reativos, este dano físico é agravado pela degradação química após a exposição ao ar⁵.

Este artigo descreve o feixe de íons crio-SEM e focalado (FIB) como um método para preservar e caracterizar interfaces de líquido sólido. Métodos semelhantes têm sido mostrados para preservar a estrutura das células em amostras biológicas ^6,7,8, dispositivos de energia 5,9,10,11,12 e reações de corrosão nanoescala 13,14,15 . O cerne da técnica é vitrifar a amostra através do congelamento de mergulho no nitrogênio de lama antes de transferir para o microscópio onde é colocado em um estágio criogenicamente resfriado. A vitrificação estabiliza o líquido no vácuo do microscópio, evitando as deformações estruturais associadas à cristalização ^6,8. Uma vez no microscópio, um sistema de feixe duplo permite imagens nanoescalas com o feixe de elétrons, e preparação de seções transversais com o feixe de íons focalado. Por fim, a caracterização química é habilitada através do mapeamento de raios-X dispersivos de energia (EDX). Ao todo, o crio-SEM/FIB pode preservar a estrutura nativa de uma interface sólido-líquido, criar seções transversais e fornecer caracterização química e morfológica.

Além de fornecer um fluxo de trabalho geral para mapeamento crio-SEM e EDX, este artigo descreverá uma série de métodos para mitigar artefatos de fresagem e imagem. Muitas vezes os líquidos vitrificados são delicados e isolantes, tornando-os propensos a carregar, bem como danos no feixe⁸. Embora uma série de técnicas tenham sido estabelecidas para reduzir esses efeitos indesejados em espécimes à temperatura ambiente ^16,17,18, várias foram modificadas para aplicações criogênicas. Em particular, este procedimento detalha a aplicação de revestimentos condutores, primeiro uma alusão de paládio dourado, seguida por uma camada de platina mais grossa. Além disso, são fornecidas instruções para ajudar os usuários a identificar o carregamento quando ele ocorre e ajustar as condições do feixe de elétrons para mitigar o acúmulo de carga. Por fim, embora o dano do feixe tenha muitas características em comum com a carga, os dois podem ocorrer independentemente um do outro¹⁶, e são fornecidas orientações para minimizar os danos nos feixes durante as etapas onde é mais provável.

Embora o SEM/FIB de feixe duplo não seja a única ferramenta de microscopia eletrônica adaptada para operação criogênica, ela é particularmente adequada para este trabalho. Muitas vezes dispositivos realistas como uma bateria estão na escala de vários centímetros de tamanho, enquanto muitos dos recursos de interesse estão na ordem de mícrons para nanômetros, e as informações mais significativas podem ser contidas na seção transversal da interface ^4,5,19. Embora técnicas como a Microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) combinada com espectroscopia de perda de energia eletrônica (EELS) permitam o mapeamento de imagens e químicos até a escala atômica, elas requerem uma preparação extensiva para tornar a amostra suficientemente fina para ser transparente em elétrons, limitando drasticamente o throughput 3,4,19,20,21,22 . O Crio-SEM, em contraste, permite a rápida sondagem de interfaces em dispositivos macroscópicos, como o ânodo de uma célula de moeda de bateria de lítio metálico, embora em uma resolução menor de dezenas de nanômetros. Idealmente, uma abordagem combinada que aproveita as vantagens de ambas as técnicas é aplicada. Aqui, focamos em técnicas de FIB/SEM criogênicas de maior rendimento.

As baterias metálicas de lítio foram utilizadas como principal prova para este trabalho, e demonstram a ampla utilidade das técnicas crio-SEM: apresentam estruturas delicadas de interesse científico 4,5,9,10,11,12, têm uma química amplamente variada a ser revelada via EDX 2, e técnicas criogênicas são necessárias para preservar o lítio reativo 5^{, Dia 21}. Em particular, os depósitos de lítio irregulares conhecidos como dendritos, bem como as interfaces com o eletrólito líquido são preservados e podem ser imageados e mapeados com EDX ^4,5,12. Além disso, o lítio normalmente oxidaria durante a preparação e formaria uma alusão com gálio durante a fresagem, mas o eletrólito preservado evita a oxidação e as temperaturas criogênicas atenuam as reações com o gálio⁵. Muitos outros sistemas (especialmente dispositivos de energia) apresentam estruturas igualmente delicadas, químicas complexas e materiais reativos, de modo que o sucesso do crio-SEM no estudo das baterias de lítio metálico pode ser considerado uma indicação promissora de que é adequado para outros materiais também.

O protocolo utiliza um sistema FIB/SEM de feixe duplo equipado com um estágio criogênico, uma câmara de preparação criogênica e um sistema de transferência criogênica, conforme detalhado na Tabela de Materiais. Para preparar as amostras crio-imobilizadas há uma estação de trabalho com um "pote de lama", que é um pote isolado de espuma que se senta em uma câmara de vácuo na estação. A espuma isolada de pote duplo slusher contém uma câmara primária de nitrogênio e uma câmara secundária que envolve o primeiro e reduz a ebulição na parte principal da panela. Uma vez preenchido com nitrogênio, uma tampa é colocada sobre a panela e todo o sistema pode ser evacuado para formar nitrogênio de lama. Um sistema de transferência com uma pequena câmara de vácuo é usado para transferir a amostra sob vácuo para a câmara de preparação ou "preparação" do microscópio. Na câmara de preparação a amostra pode ser mantida a -175 °C e revestida com uma camada condutora, como uma alusão de paládio dourado. Tanto a câmara preparatória quanto a câmara SEM apresentam um estágio criogenicamente resfriado para segurar a amostra, e um anticontaminador para contaminantes adsorb e para evitar o acúmulo de gelo no espécime. Todo o sistema é resfriado com gás nitrogênio que flui através de um trocador de calor submerso em nitrogênio líquido, e então através dos dois estágios crio-e dois anticontaminadores do sistema.

Protocol

1. Prepare a amostra e transfira para a câmara SEM

1. Configure o microscópio
   1. Para sistemas que se convertem entre temperatura ambiente e equipamentos criogênicos, instale o estágio crio-SEM e o anticontratendidor de acordo com as instruções do fabricante do equipamento e evacue a câmara SEM.
   2. Ajuste a fonte de platina do sistema de injeção de gás (SIG) de modo que, quando inserido, fique aproximadamente 5 mm mais longe da superfície da amostra em comparação com os experimentos típicos de temperatura ambiente. Esta posição precisa ser otimizada para cada sistema para garantir o revestimento uniforme da superfície da amostra. Na FIB usada aqui, isso é feito afrouxando um parafuso definido na lateral da fonte GIS e girando a coleira 3 voltas no sentido horário.
   3. Coloque a temperatura do SIG para 28 °C, abra o obturador e desfocar por 30 s a esta temperatura para limpar o excesso de material. Faça isso à temperatura ambiente, pois o organometallic irá cobrir qualquer superfície fria.
   4. Mova o palco para a posição adequada para o carregamento do transporte amostral da câmara de preparação para o SEM (isso variará de acordo com o sistema).
   5. Permita que a câmara SEM evacue por um mínimo de 8h, para estabelecer um vácuo baixo o suficiente (tipicamente cerca de 4E-6 Torr) para minimizar a contaminação do gelo durante o experimento.
2. Montar a estação de preparação criogênica
   1. Evacuar as linhas isoladas de vácuo por 8h antes do uso.
   2. Antes de resfriar o microscópio, flua gás nitrogênio seco através das linhas de gás por cerca de 15 minutos. Isso deve ser feito a aproximadamente 5 L/min, ou a taxa máxima de fluxo do sistema. Isso tira a umidade do sistema para mitigar a formação de gelo nas linhas no resfriamento, o que pode impedir o fluxo de gás.
   3. Enquanto ainda flui gás na taxa máxima de fluxo, feche a válvula para as linhas isoladas de vácuo, em seguida, transfira o trocador de calor para o nitrogênio líquido Dewar.
   4. Coloque a temperatura do SEM e os estágios de preparação para -175 °C, e a temperatura dos anticontaminadores para -192 °C. Aguarde até que todos os elementos tenham atingido a temperatura definida para prosseguir.
3. Vitrify a amostra.
   1. Encha o nitrogênio duplo pote slusher. Comece preenchendo o volume principal da panela, depois encha o volume ao seu redor para reduzir a borbulha de nitrogênio. Continue adicionando mais nitrogênio líquido a cada um, conforme necessário, até que a ebulição pare.
   2. Sele o slusher com a tampa e ligue a bomba de lama. Continue bombeando até que o nitrogênio líquido comece a se solidificar.
   3. Comece a ventilar o pote de lama. Para materiais sensíveis ao ar, como baterias de lítio, este é um bom momento para preparar a amostra para o congelamento de mergulho.
   4. Uma vez que a pressão é alta o suficiente para permitir que a panela seja aberta, rapidamente, mas suavemente, coloque a amostra no nitrogênio, e espere pelo menos até que a ebulição tenha cessado em torno da amostra para prosseguir. Remova todas as ferramentas do nitrogênio líquido neste momento para reduzir as chances de contaminação do gelo.
   5. Se o pote de lama estiver menos da metade cheio, adicione mais nitrogênio líquido.
   6. Transfira a amostra para a nave sem. Coloque todas as ferramentas necessárias para proteger ou transferir a amostra no pote de nitrogênio líquido e deixe esfriar totalmente, ou seja, espere no mínimo até que a LN₂ pare de ferver em torno de cada ferramenta, antes de tocar na amostra ou no transporte. A exposição prolongada à atmosfera, especialmente quando úmida, pode fazer com que cristais de gelo se formem no nitrogênio líquido, por isso é melhor fazer este passo rapidamente.
   7. Anexe a nave auxiliar à haste de transferência. Como em outras ferramentas, pré-esfrie a extremidade da haste na LN₂ antes de tocar na nave auxiliar.
   8. Bombeie o pote de lama e observe a pressão. Retire a amostra do nitrogênio líquido e sele-a na câmara de vácuo do sistema de transferência pouco antes do nitrogênio começar a congelar. Normalmente, isso pode ser feito levantando a nave auxiliar quando a pressão é ~8 mbar.
   9. Transfira rapidamente para a câmara de ar da câmara de preparação e bombeie no sistema de transferência. Abra a câmara de vácuo do sistema de transferência assim que a pressão da câmara de ar estiver baixa o suficiente para que isso seja feito sem muita força.
   10. Uma vez que a câmara de preparação possa ser aberta, transfira rapidamente o transporte de amostra para a câmara e coloque no estágio de preparação resfriado. Retire a haste de transferência e feche a porta da câmara de ar.
   11. Neste ponto, uma camada de ouro-paládio de ~5-10 nm pode ser espaçada na superfície da amostra para mitigar o carregamento. Os valores iniciais típicos são de 10 mA para 10 s, embora esses parâmetros devem ser ajustados para cada sistema. Alternativamente, pode-se imaginar a superfície não revestida, avaliar a extensão do carregamento e transferir de volta para a câmara de preparação para sputter coat.
   12. Reassuça a câmara de ar, conecte a haste de transferência e espere 1 min até o final da haste esfriar. Em seguida, abra a válvula para a câmara sem principal e transfira o transporte amostral o mais rápido e suavemente possível para o estágio SEM resfriado. Retire a haste de transferência e armazene-a sob vácuo para evitar a contaminação do gelo caso seja necessária novamente.
       ATENÇÃO: O nitrogênio líquido pode causar ferimentos se exposto à pele. Manuseie com cuidado enquanto usa o equipamento de proteção individual apropriado. Não coloque em um recipiente selado, pois a evaporação pode causar acúmulo de pressão.

2. Imagem a superfície da amostra e localizar características

NOTA: O tempo necessário para configurar para iniciar a imagem geralmente é suficiente para permitir que a amostra atinja o equilíbrio térmico no estágio crio-palco, especialmente se ambos os estágios na câmara de preparação e na câmara SEM forem resfriados à mesma temperatura e o tempo de transferência do transporte de um estágio para o outro for minimizado.

1. Defina os parâmetros do feixe antes da imagem, começando com uma tensão moderada (~5 kV) e corrente moderada (~0,4 nA). Para amostras especialmente delicadas, os usuários podem querer reduzir esses valores, e amostras mais robustas podem tolerar maior tensão e corrente.
2. Imagem a superfície a partir de baixa ampliação (100x), foque e faça quaisquer etapas exigidas pelo instrumento. Por exemplo, no usuário FIB aqui, a distância de trabalho medida deve estar vinculada à posição do palco. Avalie a amostra para alterações no contraste ou forma antes de se concentrar em ampliações mais altas para reduzir o carregamento.
3. Leve a amostra a uma altura aproximadamente eucêntrica e pegue outra imagem de ampliação relativamente baixa (100-200x).
4. Selecione uma região de teste de sacrifício com o líquido vitrificado e identifique possíveis problemas devido a danos ou carregamentos do feixe. Comece a imagem a 100x de ampliação para 5 s, depois aumente a ampliação para cerca de 1.000x e imagem para outros 5 s, depois reduza a ampliação para 100x, colete uma imagem e pause o feixe. Se a região exposta à alta ampliação tiver alterado o contraste, a amostra pode estar danificando ou carregando, e os usuários devem considerar novamente ajustar os parâmetros do feixe ou re-sputter revestimento. Para um procedimento mais detalhado, consulte a referência¹⁸.
5. Pesquise a amostra para as regiões de interesse. Este processo vai variar consideravelmente de acordo com a amostra e pode exigir alguma experimentação. Características que se estendem significativamente acima da superfície circundante provavelmente farão com que o líquido vitrificado seja igualmente elevado, enquanto outras características podem ser ocultas.
   1. Se os recursos de interesse não puderem ser localizados, um mapa EDX pode ajudar. Com a amostra ainda orientada normalmente para o feixe de elétrons, siga o procedimento de mapeamento EDX descrito na etapa 4.
6. À medida que as características de interesse estão localizadas, salve imagens de baixa e alta ampliação da superfície, bem como a posição do palco.
7. Repita para localizar quantos locais desejarem.
8. Selecione uma região para imagem primeiro e alinhe essa área à altura eucêntrica seguindo o protocolo do instrumento.
9. Incline a amostra para que a superfície seja normal à direção da agulha GIS de platina e insira a agulha GIS. Aqueça-o a 28 °C e abra a válvula por ~2,5 min, depois retraia a fonte. Isso deve produzir uma camada uniforme de platina organometállica nãocurada, e o usuário pode imagem brevemente da superfície da amostra para confirmar até mesmo a cobertura. O tempo de deposição variará entre os instrumentos e deve ser ajustado para garantir uma camada uniforme de 1-2 μm de espessura.
10. Incline a amostra para a fonte FIB e exponha a platina organometálica a um feixe de íons de íons de 30 kV a 2,8 nA, ampliação de 800x para 30 s. Imagem com o feixe de elétrons para verificar se a superfície é lisa e não tem sinais de carregamento.

3. Prepare seções transversais

1. Tire um instantâneo da superfície da amostra usando o feixe de íons a 30kV e uma corrente de fresagem a granel mais baixa (~2,8 nA), identifique o recurso de interesse e meça a colocação aproximada da seção transversal. As trincheiras moídas usando cerca de 2,8 nA podem ser colocadas a 1 μm de distância da seção transversal final e devem se estender por ambos os lados da característica de interesse por alguns mícrons. As janelas laterais (ver 3.2) devem ser colocadas com uma borda aproximadamente alinhada com a seção transversal final desejada.
2. Crie uma janela lateral para raios-x antes de frear as trincheiras principais para reduzir a redeposição.
   1. Desenhe uma Seção Transversal regular girada em 90° em relação a onde a trincheira estará. A orientação dependerá da configuração de cada detector EDX; colocar a extremidade rasa desta trincheira em direção ao detector EDX. No software de instrumento utilizado aqui, essa rotação é feita clicando na guia Advanced para o padrão e entrando em um ângulo de rotação, medido no sentido anti-horário.
   2. Redimensione o padrão giratório para maximizar o número de raios-x para sair da superfície da seção transversal, nominalmente 10 μm quadrado. O tamanho dependerá da geometria do detector, e muitas vezes janelas menores serão suficientes. Os usuários podem agilizar o procedimento determinando o tamanho mínimo desta trincheira.
3. Crie uma Seção Transversal regular apenas grande o suficiente para revelar a característica de interesse. Isso pode ser feito rapidamente usando uma corrente alta (~2,8 nA) para criar uma trincheira, baixando a corrente para limpar ou mais lentamente trabalhando apenas em uma corrente inferior (~0,92 nA).
   1. Tire um instantâneo da superfície da amostra usando o feixe de íons a 30 kV e a corrente desejada (consulte Discussão para seleção da corrente). Identifique a característica de interesse e finalize a colocação da trincheira feita em 3.1
      1. As dimensões da trincheira variam de acordo com a amostra, mas um tamanho típico é de 25 μm x 20 μm. Ambas as dimensões devem ser grandes o suficiente para permitir que toda a característica de interesse seja visível; x determinará a largura da seção transversal, enquanto y limitará o quão longe para baixo na trincheira o feixe de elétrons pode ver. Certifique-se de que há 1 μm de material deixado entre a borda desta trincheira e a seção transversal final desejada.
   2. Defina a profundidade z para 2 μm com o aplicativo de fresagem definido para silício e comece a frear usando o software, mas pausa regularmente o processo e a imagem da seção transversal usando o feixe de elétrons, em seguida, retomar a fresagem conforme necessário.
   3. Repita este processo até que a trincheira seja muito mais profunda do que a característica de interesse, tipicamente de 10 a 20 μm de profundidade. Amostras contendo múltiplos materiais muitas vezes terão tempos de fresagem altamente variáveis e podem precisar de mais ou menos tempo do que a configuração de profundidade de 1 μm estimará. Registo o tempo necessário para criar a trincheira áspera para guiar a profundidade usada em 3.4.
4. Crie uma seção transversal limpa final
   1. Abaixe a corrente do feixe de íons para aproximadamente 0,92 nA e tire uma foto. Verifique a localização do recurso de interesse: se a etapa 3.1.3 foi feita corretamente, haverá cerca de 1 μm de material restante a ser fresado.
   2. Desenhe uma seção transversal de limpeza usando o software FIB. Sobreponha esta janela de limpeza com a trincheira pré-feita por pelo menos 1 μm para ajudar a mitigar a redeposição.
   3. Defina a profundidade z, usando as observações da etapa 3.3.3 para determinar o valor. Por exemplo, se metade do tempo foi usada em uma profundidade de 1 μm, reetilesse a profundidade para 0,5 μm.
   4. Deixe a seção transversal de limpeza funcionar ininterruptamente. Quando terminar, imagem a seção transversal limpa usando o feixe de elétrons.

4. Realize o mapeamento EDX

1. Selecione as condições de feixe apropriadas para a amostra (consulte Discussão para obter detalhes)
2. Oriente a amostra para maximizar a contagem de raios-X. Cada instrumento terá uma altura de trabalho ideal para EDX; garantir que a característica de interesse esteja nesta altura. Incline tal forma que o feixe de elétrons incidente seja o mais próximo possível do normal da superfície de interesse.
3. Insira o detector EDX e determine o tempo de processo adequado. Para amostras altamente sensíveis ao feixe, pode ser necessário testar essas condições em uma região sacrificial da amostra antes de mapear o local de interesse.
   1. No software do detector, vá para a configuração do microscópio e inicie a imagem do feixe de elétrons, em seguida, aperte o registro. Isso vai medir a taxa de contagem e o tempo morto.
   2. Regisso tanto o tempo médio morto quanto a taxa de contagem. O tempo morto ideal vai variar entre os detectores, mas para o Oxford X-max 80 valores típicos variam entre 15-25. Valores mais baixos darão melhor resolução, e valores mais elevados correspondem a taxas de contagem mais altas.
   3. Se o tempo morto precisar ser ajustado, altere a constante de tempo EDX (também conhecida como Tempo de Processo). Um tempo de processo mais baixo dará um tempo de baixa hora de morte, e vice-versa. Repita até que o tempo morto esteja no intervalo desejado.
   4. Confirme que a taxa de contagem é razoável. Taxas de contagem mais baixas (1.000 contagens/s e inferiores) exigirão tempos de aquisição mais longos, o que aumenta a probabilidade de que os mapas sejam distorcidos por deriva de amostra. Se a taxa de contagem for muito baixa, considere aumentar a corrente do feixe e a tensão, ou aumentar o tempo de processo.
4. Uma vez estabelecidas as condições do detector, colete a imagem do feixe de elétrons.
   1. Vá para Configuração de imagem e selecione a profundidade de bits e resolução de imagem, tipicamente 8 bits e 512 x 448 ou 1024 x 896.
   2. Ajuste as condições de imagem para o software EDX. Muitas vezes as condições de imagem são calibradas de forma diferente no software EDX do que no próprio software do SEM, e ampliação, brilho e contraste precisarão ser ajustados de acordo. No INCA aperte o botão de gravação no site da janela de juros, ajuste a imagem conforme necessário e, em seguida, grave outra imagem, iterando conforme necessário.
5. Ajuste a configuração de mapeamento no software EDX.
   1. Selecione a resolução do Mapa de Raios-X, Alcance de Espectro, Número de Canais e o Hora do Habit do Mapa. A resolução do mapa EDX deve ser menor do que a imagem eletrônica (tipicamente 256 x 224), e a faixa de energia pode ser tão baixa quanto a energia do feixe utilizada. Normalmente, o número máximo de canais é usado, e o tempo de moradia é definido para 400 μs.
   2. No software EDX, selecione a área para mapear. Isso pode ser feito selecionando todo o campo de visão, ou selecionando uma região menor na imagem do feixe de elétrons que pode acelerar o processo.
6. Comece a adquirir o mapa EDX. Permita que isso seja executado até que um número suficiente de contagens sejam coletadas (veja a discussão abaixo). Na janela de mapas elementares, mapas pré-processados são exibidos e, se os recursos começarem a desfocar durante esse processo, é um sinal de que a amostra está à deriva ou sendo danificada. Neste caso, considere parar o mapa e usar o software SEM para determinar o problema.
7. Quando o mapa estiver completo, salve o mapa EDX como um cubo de dados, que é uma matriz 3D com um eixo para coordenadas espaciais na imagem, e um eixo para energia.

Representative Results

Este método foi desenvolvido em um sistema FIB/SEM duplo equipado com um estágio criogênico comercialmente disponível, anticontaminador e câmara de preparação. Para mais detalhes, consulte a tabela de materiais. Testamos principalmente este método em baterias de lítio metálico com uma série de eletrólitos diferentes, mas o método é aplicável a qualquer interface de líquido sólido que suportará a quantidade de dose aplicada durante o mapeamento EDX.

A Figura 1 ilustra os vários componentes do sistema criogênico utilizados aqui: o pote de lama (Fig. 1A) onde as amostras são congeladas, o sistema de transferência (Figura 1B) com uma câmara de vácuo para armazenar o transporte durante a transferência, a câmara de preparação ou "prep" (Figura 1C,D) onde as amostras são revestidas de sputter, e o próprio estágio criogênico SEM (Figura 1E). A Figura 2 (adaptada de Zachman, et al. 2020)⁵ compara a fresagem de uma folha de lítio nua a 25 °C e -165 °C, destacando como o resfriamento a temperaturas criogênicas pode ajudar a preservar amostras durante a fresagem fib. Para os experimentos edx, a geometria de fresagem FIB deve ser otimizada e a posição do detector EDX deve ser levada em conta como mostrado esquematicamente na Figura 3. A Figura 3A retrata a configuração de fresagem vista a partir da direção do feixe de íons: Uma trincheira principal e uma janela lateral são criadas primeiro, com a janela lateral girada no sentido horário 270 graus para produzir o gradiente de profundidade desejado em relação à posição do detector EDX. Posteriormente, uma seção transversal de limpeza é fresada (caixa azul na Figura 3A) para criar a face final da seção transversal. A janela lateral é moída pelo menos 1 μm após o final da trincheira principal original para que a seção transversal de limpeza seja pelo menos alinhada com o lado desta trincheira. A janela lateral fresada estabelece uma linha de visão de cada ponto na seção transversal para o detector (Figura 3B).

Na Figura 4, Figura 5 e Figura 6, focamos em um sistema de materiais: a deposição inicial de lítio em um substrato de lítio conectado a um coletor de corrente de aço inoxidável em um eletrólito dioxolano (DOL)/dimethoxyethtano (DME). Em primeiro lugar, demonstramos na Figura 4 a diferença entre uma amostra crio-imobilizada bem preparada e uma mal preparada, ambas usando a bateria de lítio metal como exemplo. A vitrificação inadequada pode levar a alterações morfológicas, bem como à cristalização, enquanto a exposição ao ar causa contaminação do gelo. Para a Figura 4, ambas as amostras foram nominalmente preparadas de acordo com o mesmo procedimento, no entanto, a breve exposição ao ar provavelmente resultou em reações superficiais para a amostra mostrada na Figura 4B possivelmente devido a uma camada de eletrólito mais fina na superfície do eletrodo de lítio. A triagem de cada amostra após o carregamento no crio-FIB ajuda a identificar possíveis problemas devido ao processo de vitrificação. A Figura 5 mostra os resultados do mapeamento de um depósito de lítio em 1,3-dioxolano/1,2-dimecalmetotano (DOL/DME) com condições não ótimas (3 kV, 1,1 nA). A característica escura no centro da seção transversal na Figura 5A mostra variações de contraste, provavelmente uma indicação de uma interface inicialmente bem preservada. Grande parte desse detalhe é, no entanto, perdido devido a danos causados pela radiação durante o mapeamento (Figura 5B). Em contraste, a Figura 6 mostra um mapa de lítio morto (pedaços de lítio que não estão mais conectados ao eletrodo) embutidos no eletrólito vitrificado e no substrato de lítio abaixo dele feito a 2 kV e 0,84 nA, o que preservou a morfologia. Embora alguns danos ainda sejam visíveis na Figura 6B, a extensão é substancialmente reduzida.

O mapeamento EDX também pode ser usado para localização de estruturas enterradas. A Figura 7 (adaptada de Zachman, 2016)¹⁹ demonstra o uso de EDX para localizar nanopartículas de óxido de ferro cultivadas em um hidrogel de sílica. Grandes varreduras de campo de visão permitem a identificação de regiões de interesse (Figura 7A,D), enquanto varreduras mais localizadas (Figura 7B,E) podem ser usadas para moagem específica do local (Figura 7C,F), neste caso em preparação para um crio-lift-out.

Os procedimentos de segurança padrão para o manuseio de criogens (ou seja, nitrogênio líquido e nitrogênio de lama) devem ser usados quando seguirem este procedimento, e as baterias de lítio metálico devem ser manuseadas com os equipamentos de proteção individual adequados e descartadas com segurança.

Figura 1: Componentes do sistema criogênico FIB/SEM utilizados. (A) O pote de lama para preparação inicial da amostra. A porção principal e um reservatório sob o isolamento de espuma são preenchidos com nitrogênio líquido, que é convertido em nitrogênio de lama, reduzindo a pressão acima do nitrogênio líquido usando uma bomba de vácuo. As amostras são mergulhadas congeladas no nitrogênio de lama e anexadas à nave auxiliar antes que a doca vertical seja usada para levantar a nave auxiliar no braço de transferência. (B) O interior do sistema de transferência. Uma pequena câmara de ar mantém a nave sob vácuo fraco durante a transferência para a câmara de preparação, e o braço em si (não mostrado) permite que os usuários movam a amostra para o estágio criogenicamente resfriado. (C) Uma visão externa da câmara de preparação, onde as amostras podem ser revestidas antes da imagem. (D) Um close-up da crio-etapa na câmara de preparação. (E) O sistema crio-in dentro da câmara SEM, apresentando o palco e o anticontaminador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Comparação da moagem de uma folha de lítio à temperatura ambiente versus temperatura criogênica. (A) Uma seção transversal criada por uma seção transversal regular à temperatura ambiente. A face da seção transversal não é lisa e material adicional está presente. Esta é provavelmente uma alusão de lítio-gálio formada durante a fresagem com o feixe de íons de gálio. (B) Uma trincheira moída usando uma seção transversal de limpeza. O rosto agora está limpo, mas a redeposição na trincheira é pronunciada. (C) O mesmo que (A) mas feito a -165 °C. A face não tem a ligação lítio-gálio, e a redeposição é reduzida. (D) o mesmo que (B) mas realizado a -165 °C. A trincheira final e a seção transversal são extremamente limpas. Juntos, isso sugere que as técnicas fib baseadas em íons de gálio são incompatíveis com amostras de lítio à temperatura ambiente, mas são compatíveis a temperaturas criogênicas. Adaptado de Zachman, 2020⁵. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Instalação de janelas de fresagem, incluindo uma janela lateral para melhor rendimento de raios-X. (A) Um esquema mostrando as principais características do processo de fresagem (as colocações não são exatas). A trincheira principal e a janela lateral são desenhadas mostrando a direção de profundidade crescente (indicada tanto pelas setas rotuladas quanto pelo gradiente em sombreamento), e a seção transversal de limpeza (azul) é mostrada sobrepondo-se parcialmente com a trincheira principal. A janela lateral está alinhada em relação à posição do detector EDX para permitir a detecção de raios-x gerados de toda a seção transversal. (B) Um esboço demonstrando o benefício da janela lateral. À medida que a sonda eletrônica escaneia a seção transversal, os elétrons excitam os raios-X, que são medidos pelo detector EDX. Sem uma janela lateral, os efeitos da sombra fariam com que partes da seção transversal (como a parte inferior aqui) parecessem escuras. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Resultados de vitrificação e transferência inadequadas. (A) Uma amostra de lítio bem preservada com um eletrólito DOL/DME. Enquanto os depósitos causam algumas variações tridimensionais, o eletrólito criomobilizado é geralmente suave e uniforme. (B) Resultado representativo de uma amostra menos bem preservada do mesmo sistema. A superfície é muito mais áspera, e os depósitos não são totalmente cobertos por eletrólitos, sugerindo que reações amostrais podem ter ocorrido devido à exposição prolongada do ar durante a preparação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Mapeamento EDX de uma bateria de lítio metálico com sombreamento reduzido, mas danos significativos. (A) A imagem do feixe de elétrons antes do mapeamento EDX a 3 kV e 1,1 nA. (B) a imagem pós-mapeamento, mostrando danos de estruturas menores. (C) A imagem eletrônica correspondente à região mapeada. (D) mapa elementar de carbono K-α com linhas vermelhas indicando a sombra. Dentro da janela lateral, há uma sombra significativa que de outra forma obscureceria a face da seção transversal. A janela lateral não estava perfeitamente alinhada e se estende ligeiramente além da face da seção transversal, resultando na sombra limitada visível nesta região. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Mapeamento EDX de lítio morto em uma bateria de metal de lítio com dano mínimo e sombra. (A) A imagem do feixe de elétrons antes do mapeamento EDX a 2 kV e 0,84 nA com asteriscos marcando o lítio morto. (B) A imagem pós-mapeamento, mostrando muito pouco dano devido às condições mais otimizadas do feixe. (C) A imagem eletrônica correspondente à região mapeada. (D) Mapa elementar de α carbono com linha vermelha indicando pequenos efeitos de sombra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Mapeamento EDX para identificar características de interesse enterradas. (A) Imagem SEM de um hidrogel de sílica com nanopartículas de óxido de ferro incorporadas. (B) Imagem semelhante registrada em ampliação mais elevada. (C) Uma imagem SEM de duas trincheiras centradas em uma nanopartícula de óxido de ferro, criada em preparação para crio-lift-out de uma lamella TEM. (D,E) Os mapas EDX correspondem a (A, B). Na ampliação mais elevada (E), é possível distinguir claramente várias partículas ricas em ferro na amostra. Comparando-se com (B), é possível determinar que uma partícula está embutida (indicada com uma seta) no hidrogel, enquanto outras não são. (F) O mapa EDX de (C), mostrando claramente que as trincheiras estão centradas na característica de interesse. Adaptado de Zachman, 2016¹⁹. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

O método de preparação criogênica descrito aqui é importante e deve ser feito corretamente para que a química e a morfologia sejam preservadas⁸. A maior preocupação é congelar a amostra rapidamente, pois é isso que permite que o líquido seja vitrificado⁸. Se a amostra esfriar muito lentamente, os líquidos podem cristalizar resultando em uma mudança na morfologia⁶. Para evitar a cristalização, o nitrogênio de lama é usado neste procedimento, pois reduz o efeito Leidenfrost e acelera o resfriamento em comparação com o nitrogênio líquido ^8,23,24. Notamos também que, em comparação com soluções aquosas, muitos líquidos orgânicos requerem taxas de resfriamento significativamente mais baixas para a vitrificação^25,26, o que é benéfico para o congelamento de camadas de eletrólitos orgânicos mais espessas. Outros criógenos como etano líquido ou propano são frequentemente usados em outras áreas⁸, no entanto, criogens orgânicos podem dissolver eletrólitos orgânicos que podem dar origem a artefatos^23,24. O nitrogênio slush não interage com líquidos orgânicos e é, portanto, o criogen escolhido aqui. Para garantir um resfriamento rápido, também é importante eliminar a massa ímã da amostra durante a mergulho para reduzir a capacidade de calor. Algumas amostras (por exemplo, ânodos metálicos de lítio) podem precisar ser anexadas a um suporte como um stub de alumínio para suporte durante o mergulho, mas, se possível, é melhor anexar a amostra ao suporte sob nitrogênio líquido, depois de devidamente congelada. Por fim, as temperaturas criogênicas tornam a amostra propensa à contaminação do gelo. Portanto, é importante que a amostra seja mantida sob vácuo durante a transferência do pote de lama para a câmara de preparação.

O carregamento de amostras e danos à radiação podem ser um desafio significativo mesmo quando operam a temperaturas criogênicas, exigindo revestimentos protetores e seleção cuidadosa de parâmetros de feixe. Os métodos primários para reduzir esses efeitos neste procedimento se concentram na redução da tensão do feixe e no fornecimento de caminhos para que a carga acumulada se dissipe. A redução da tensão do feixe apresenta uma troca: enquanto as tensões mais baixas normalmente reduzem o acúmulo de carga, a profundidade dos danos nos raios e o calor transferido para a amostra^16,17, eles também reduzem as taxas de contagem para EDX e a resolução da imagem¹⁸. Recomenda-se, portanto, determinar o efeito de cada tensão disponível e utilizar a maior tensão que não danifique a amostra. Para dissipar a carga, a amostra é revestida inicialmente com uma fina (5-10 nm) camada condutora, como o paládio de ouro e, em seguida, uma camada de platina aproximadamente um mícndo de espessura. Os sistemas FIB normalmente usam um gás de platina organometálico para transportar a platina para a superfície da amostra. Sob condições criogênicas, este precursor condensa-se na superfície da amostra fria para formar um composto orgânico não condutor contendo platina²⁷. Um processo de cura durante o qual a camada é exposta ao feixe de íons, em seguida, libera o componente orgânico, permitindo que uma camada de platina condutiva se forme. Esta etapa é fundamental para resultados de alta qualidade, pois a platina dissipa a carga e mitiga a implantação de gálio^13,27. Orientar a amostra para que a superfície seja normal à fonte GIS é a melhor maneira de obter uma camada contínua, e a posição exata precisará ser ajustada para cada sistema. Por fim, a amostra deve ter um caminho condutor contínuo ao solo para que o excesso de carga se dissipe, fornecido por um fio de aterramento conectado ao estágio. Além deste fio de aterramento, a amostra em si deve ter boa condutividade para a nave auxiliar para que a carga se dissipe.

O procedimento de preparação de seções transversais é apenas ligeiramente modificado a partir do método padrão para o trabalho fib de temperatura ambiente¹⁷. A modificação primária é a adição de uma janela lateral para permitir que mais raios-x escapem da trincheira. Sem esta janela, um lado da trincheira produzirá uma sombra sobre a face da seção transversal em mapas EDX. Embora se possa garantir que a sombra não obscureça a característica do interesse simplesmente estendendo um lado da trincheira, fazê-lo levaria mais tempo do que o método descrito aqui. O uso de uma seção transversal regular girada em 90 graus em relação à trincheira principal cria um caminho direto de cada ponto da seção transversal para o detector de raios-X, removendo a quantidade mínima de material. Os usuários devem considerar a orientação do detector de raios-X na câmara FIB e colocar a janela lateral de acordo. A outra grande modificação é o uso de correntes de fresagem mais baixas para preservar a interface. À temperatura ambiente, é comum usar correntes de feixe de íons mais altas (~9,3 nA) para moer a maioria das trincheiras, em seguida, reduzir a corrente para moer uma janela menor antes de limpar¹⁷. Aqui, recomenda-se que as correntes mais altas sejam usadas com cautela, pois danifica muitas amostras vitrificadas.

Uma grande limitação do mapeamento EDX no crio-FIB é o grande número de contagens necessárias em relação às taxas de contagem alcançáveis em condições típicas. Mapas estatisticamente significativos requerem mais de 100 contagens por pixel, ou na ordem de 6 milhões de contagens para um mapa 256 x 256¹⁷. Dado que as condições do feixe apropriadas para amostras criogênicas frequentemente dão taxas de contagem tão baixas quanto 1.000 contagens por segundo, os usuários podem esperar que os mapas levem de vários minutos a uma hora. Desta vez, não só reduz o throughput, mas também aumenta a sensibilidade à deriva da amostra, o que limita a qualidade dos mapas. Portanto, vale a pena otimizar a taxa de contagem. O primeiro passo para fazê-lo será garantir que a amostra esteja na altura ideal de trabalho para o detector no sistema que está sendo utilizado. Em seguida, os parâmetros do feixe devem ser equilibrados para maximizar o rendimento do raio-x sem danificar a amostra. Dentro da faixa de tensões de feixe considerada aqui (2-5 keV), a taxa de contagem aumentará tanto com tensão de feixe quanto corrente¹⁷, e os valores mais altos que não produzirão danos significativos ou carregamento devem ser utilizados. No entanto, a amostra frequentemente restringe significativamente as condições do feixe, e torna-se ainda mais importante otimizar as condições do detector EDX. O parâmetro primário que precisará ser ajustado é conhecido como "tempo de processo" no software Oxford Inca (também conhecido como "constante do tempo"), e seu efeito no chamado tempo morto do detector¹⁷. O tempo morto é um parâmetro simples, definido como:

,

onde a taxa de contagem de entrada se refere ao número de incidentes de elétrons no detector, e a taxa de contagem de saída refere-se ao número que o detector conta como sinal¹⁷. O tempo de processo é um parâmetro complexo, representando o tempo utilizado para a média do sinal de entrada. Tempos de processo mais longos representam mais tempo em média do sinal e, portanto, um tempo de processo mais alto levará a um tempo mais alto de morte. Um tempo morto baixo representa a maioria dos raios-X incluídos, e para esta aplicação que é desejável, mas vem ao custo da resolução¹⁷. Normalmente, o tempo de processo é ajustado para dar um tempo morto entre 15 e 20%, mas em tensões e correntes mais baixas pode não ser possível melhorar significativamente o tempo morto.

FiB/SEM criogênico com EDX fornece uma das poucas maneiras de sondar tanto a química quanto a morfologia de uma interface de líquido sólido intacto. Métodos como Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Raman Spectroscopy e XPS são comumente usados para explorar a química das baterias, mas não possuem resolução espacial fornecida pelo mapeamento EDX². O XPS é tipicamente uma técnica destrutiva, mas temperaturas criogênicas também foram empregadas para preservar interfaces de líquido sólido intacto durante a análise do XPS²⁸. A morfologia é frequentemente caracterizada por SEM, microscopia leve, Microscopia da Força Atômica (AFM) e Microscopia de Sonda de Varredura (SPM)². O Crio-TEM/STEM mostrou resolução espacial superior ^4,9,11,21,22 com mais mapeamento químico rico em informações fornecido pelo EELS⁴, mas é uma técnica de baixo rendimento. As amostras devem ser restritivamente finas, exigindo um desenho amostral altamente específico (como o lítio cultivado em uma grade TEM 9,11,21,22) ou preparadas a partir de uma amostra macroscópica usando o levantamento crio-FIB ^4,19. Recentemente, Schreiber, et ^al.13 descreveu usando métodos crio-FIB para preparar interfaces intactas de líquido sólido para estudo via tomografia de sonda atômica. No entanto, este procedimento é relativamente baixo rendimento e olha predominantemente para a nanoescala^13,14, tornando suas aplicações distintas do mapeamento crio-SEM EDX.

Apesar das notáveis vantagens deste método, não é sem limitações. Como discutido anteriormente, muito cuidado deve ser tomado para evitar danos à amostra durante o mapeamento edx, e uma pequena quantidade de dano pode ser inevitável. Os equipamentos específicos utilizados no desenvolvimento deste trabalho possuem limitações próprias. Embora a detecção de lítio pelo EDX seja possível²⁸, requer o uso de um detector especificamente otimizado para raios-x de baixa energia que não foi feito neste trabalho. Detector mais sensível também melhorará a eficiência da coleta de raios-X e, assim, reduzirá a dose eletrônica necessária para o mapeamento EDX. Em seguida, a técnica não é imediatamente compatível com todas as geometrias amostrais. Por exemplo, algumas amostras de bateria tendem a apresentar uma espessa camada de eletrólito (30-100 μm) ao congelar, o que exigirá tempos de fresagem impráticos ao usar um fib de íons de gálio padrão. Muitas vezes pequenas modificações podem ser feitas para superar essa limitação. Descobrimos que a espessura do eletrólito pode ser reduzida mudando de um separador de o-ring para um separador de membrana. No entanto, os impactos dessas modificações variam entre as amostras e devem ser feitos com cuidadosa consideração. Por fim, o estágio criogênico do Quórum é um modelo inicial que carece de rotação sobre o eixo vertical, limitando observações a uma orientação definida. Permitir a rotação do estágio mantendo-se estável uma temperatura da amostra criogênica melhoraria a facilidade de uso, mas é improvável que melhore significativamente a qualidade dos resultados ou expanda o escopo da técnica.

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