通过冷冻聚焦离子束铣削与扫描电子显微镜和光谱学耦合，对液固界面进行纳米级表征
Summary
低温聚焦离子束（FIB）和扫描电子显微镜（SEM）技术可以为完整固液界面的化学和形态提供关键见解。详细介绍了制备此类界面的高质量能量色散X射线（EDX）光谱图的方法，重点是储能器件。
Abstract
固液界面的物理和化学过程在许多自然和技术现象中起着至关重要的作用，包括催化，太阳能和燃料产生以及电化学能量储存。最近使用低温电子显微镜实现了这种界面的纳米级表征，从而为推进我们对界面过程的基本理解提供了一条新的途径。
这一贡献为使用集成低温电子显微镜方法绘制材料和器件中固液界面的结构和化学性质提供了实用指南。在这种方法中，我们将低温样品制备与低温聚焦离子束（cryo-FIB）铣削相结合，通过这些复杂的埋藏结构创建横截面，从而稳定固液界面。在双光束FIB / SEM中执行的低温扫描电子显微镜（cryo-SEM）技术可实现纳米级的直接成像和化学映射。我们讨论实际挑战，克服这些挑战的策略，以及获得最佳结果的方案。虽然我们在讨论储能设备中的接口时重点关注，但概述的方法广泛适用于固液界面起关键作用的一系列领域。
Introduction
固体和液体之间的界面在电池，燃料电池和超级电容器等能源材料的功能中起着至关重要的作用1，2，3。虽然表征这些界面的化学和形态可以在改善功能器件方面发挥核心作用，但这样做带来了巨大的挑战1，3，4。液体与许多常见表征技术所需的高真空环境不相容，例如X射线光发射光谱，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜2。从历史上看，解决方案一直是从设备中除去液体，但这是以牺牲界面2，4 处的潜在破坏性脆弱结构或修改形态3为代价的。在电池的情况下，特别是那些使用高活性碱金属的电池，这种物理损伤在暴露于空气5时因化学降解而加剧。
本文描述了冷冻SEM和聚焦离子束（FIB）作为保存和表征固液界面的方法。类似的方法已被证明可以保存生物样品6，7，8，能量器件5，9，10，11，12和纳米级腐蚀反应中的细胞结构13，14，15.该技术的关键是通过在淤泥氮中冷冻来玻璃化样品，然后将其转移到显微镜中，然后将其置于低温冷却的载物台上。玻璃化在显微镜的真空中稳定液体，同时避免与结晶相关的结构变形6，8。一旦进入显微镜，双光束系统允许用电子束进行纳米级成像，并用聚焦离子束制备横截面。最后，通过能量色散X射线（EDX）映射实现化学表征。总而言之，冷冻SEM / FIB可以保留固液界面的天然结构，创建横截面，并提供化学和形态学表征。
除了提供冷冻SEM和EDX映射的一般工作流程外，本文还将介绍多种方法来减轻铣削和成像过程中的伪影。通常玻璃化液体是脆弱和绝缘的，使它们容易充电以及光束损坏8。虽然已经建立了许多技术来减少室温16，17，18下样品中的这些不良影响，但已经针对低温应用进行了一些改进。特别是，该程序详细介绍了导电涂层的应用，首先是金钯合金，然后是更厚的铂层。此外，还提供了说明，以帮助用户在充电发生时识别充电，并调整电子束条件以减轻电荷的积累。最后，尽管光束损伤与充电具有许多共同的特征，但两者可以彼此独立发生16，并且提供了在最有可能的步骤中最小化光束损伤的指南。
虽然双光束SEM / FIB不是唯一适用于低温操作的电子显微镜工具，但它特别适合这项工作。通常，像电池这样的逼真的设备的大小在几厘米的范围内，而许多感兴趣的特征在微米到纳米的数量级上，最有意义的信息可以包含在界面4，5，19的横截面中。虽然扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失光谱（EELS）等技术使成像和化学映射能够精确到原子尺度，但它们需要大量的准备工作才能使样品足够薄以使电子透明，从而极大地限制了通量3，4，19，20，21，22.相比之下，Cryo-SEM允许快速探测宏观器件中的接口，例如锂金属电池纽扣电池的阳极，尽管分辨率较低，为数十纳米。理想情况下，应用一种利用这两种技术优势的组合方法。在这里，我们专注于更高通量的低温FIB / SEM技术。
锂金属电池被用作这项工作的主要测试案例，它们证明了低温SEM技术的广泛实用性：它们具有科学兴趣的微妙结构4，5，9，10，11，12，具有通过EDX2揭示的化学性质差异很大，并且需要低温技术来保存活性锂5，21.特别是，称为枝晶的不均匀锂沉积物以及与液体电解质的界面被保留下来，并且可以用EDX4，5，12进行成像和映射。此外，锂通常会在制备过程中氧化，并在研磨过程中与镓形成合金，但保存的电解质可防止氧化，低温可减轻与镓5的反应。许多其他系统（特别是能源设备）具有类似的精细结构，复杂的化学成分和反应性材料，因此冷冻SEM在锂金属电池研究上的成功可以被认为是一个有希望的迹象，表明它也适用于其他材料。
该协议使用双光束FIB / SEM系统，该系统配有低温台，低温制备室和低温转移系统，详见材料表。为了制备冷冻固定的样品，有一个带有“雪泥锅”的工作站，这是一个泡沫绝缘锅，位于工作站的真空室中。泡沫绝缘双锅式吸气器包含一个主氮气室和一个副腔室，该室环绕前者并减少锅的主要部分的沸腾。一旦充满氮气，盖子被放置在锅上，整个系统可以被抽真空以形成搪泥氮气。具有小型真空室的转移系统用于在真空下将样品转移到显微镜的制备或“制备”室。在制备室中，样品可以保持在-175°C并溅射涂有导电层，例如金钯合金。制备室和SEM室都具有用于容纳样品的低温冷却平台，以及用于吸附污染物并防止冰在样品上积聚的抗污染器。整个系统用氮气冷却，氮气流经浸没在液氮中的热交换器，然后通过系统的两个低温级和两个抗污染器。
Protocol
Representative Results
Discussion
这里描述的低温制备方法很重要，必须正确完成才能保留化学和形态8。最关心的问题是快速冷冻样品，因为这是允许液体玻璃化的原因8。如果样品冷却太慢，液体可能会结晶，导致形态变化6。为了防止结晶，在此过程中使用雪泥氮，因为它降低了莱顿霜冻效应并加速了冷却，与液氮8，23，…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们非常感谢Shuang-Yan Lang和Héctor D. Abruña的贡献，他们为我们的研究提供了样本。这项工作得到了美国国家科学基金会（NSF）（DMR-1654596）的支持，并利用了NSF支持的康奈尔大学材料研究设施中心，奖励编号为DMR-1719875。
Materials
| 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 |
References
- Schmickler, W., Santos, E. . Interfacial Electrochemistry. , (2010).
- 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).
- Allen, F. I., et al. Morphology of hydrated as-cast Nafion revealed through cryo electron tomography. ACS Macro Letters. 4 (1), 1-5 (2015).
- 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).
- 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).
- Dubochet, J. The physics of rapid cooling and its implications for cryoimmobilization of cells. Methods in Cell Biology. 79, 7-21 (2007).
- 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).
- Dubochet, J., et al. Cryo-electron microscopy of vitrified specimens. Quarterly Reviews of Biophysics. 21 (2), 129-228 (1988).
- Wang, X., Li, Y., Meng, Y. S. Cryogenic electron microscopy for characterizing and diagnosing batteries. Joule. 2 (11), 2225-2234 (2018).
- 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).
- Li, Y., Huang, W., Li, Y., Chiu, W., Cui, Y. Opportunities for cryogenic electron microscopy in materials science and nanoscience. ACS Nano. , (2020).
- Lee, J. Z., et al. Cryogenic focused ion beam characterization of lithium metal anodes. ACSEnergy Letters. 4 (2), 489-493 (2019).
- 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).
- 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).
- Li, T., et al. Cryo-based structural characterization and growth model of salt film on metal. Corrosion Science. 174, 108812 (2020).
- Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. Radiation damage in the TEM and SEM. Micron. 35 (6), 399-409 (2004).
- Goldstein, J. I., et al. . Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. , (2018).
- Joy, D. C., Joy, C. Low voltage scanning electron microscopy. Micron. 27 (3-4), 247-263 (1996).
- 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).
- 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).
- Li, Y., et al. Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo-electron microscopy. Science. 358 (6362), 506-510 (2017).
- 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).
- Oostergetel, G. T., Esselink, F. J., Hadziioannou, G. Cryo-electron microscopy of block copolymers in an organic solvent. Langmuir. 11 (10), 3721-3724 (1995).
- Echlin, P. . Low-Temperature Microscopy and Analysis. , (1992).
- 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).
- 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).
- Shchukarev, A., Ramstedt, M. Cryo-XPS: probing intact interfaces in nature and life. Surface and Interface Analysis. 49 (4), 349-356 (2017).
- Hovington, P., et al. Can we detect Li K X-ray in lithium compounds using energy dispersive spectroscopy. Scanning. 38 (6), 571-578 (2016).
