通过将冷冻聚焦离子束刻蚀与扫描电子显微镜及光谱技术联用实现液-固界面的纳米尺度表征

冷冻扫描电镜（cryo-SEM）与聚焦离子束（FIB）方法可用于研究固液界面和生物样品，同时保持样品的天然结构。该技术的主要优势在于，冷冻扫描电镜能够使用户以数十纳米的分辨率快速探测宏观器件（如纽扣电池电极）的界面。首先安装冷冻扫描电镜样品台和防污染器。

抽真空扫描电镜腔室，并调节气体注入系统（GIS）的铂源，使源插入后距离样品表面约五毫米。将GIS温度设为28摄氏度，打开快门排气30秒，以清除任何过量物质。然后，使扫描电镜腔室抽真空至少八小时。

抽真空阶段结束时，将显微镜和样品准备台的温度设为零下175摄氏度，并将防污染装置设为零下192摄氏度。为实现样品的玻璃化冷冻，依次向氮气双罐式冰浆机的主腔体及其周围空间注入液氮，直至液氮停止沸腾。用盖子密封装满液氮的冰浆机，然后启动冰浆泵。

当液氮开始凝固时，开始排放泥浆罐中的气体。一旦压力足够高，能够打开罐体时，迅速但轻柔地将样品放入氮气中。当样品周围的沸腾停止后，在氮气开始冻结之前，使用预冷的转移杆将样品转移至已预冷的扫描电镜样品台的真空腔室中。

迅速将样品台转移至制样室的气闸中，并对传输系统抽真空。如有需要，可在样品表面溅射5到10纳米厚的金-钯涂层，以减少电荷积累。然后，尽快且平稳地将样品台转移至冷却的显微镜载物台上。

进行样品表面成像时，首先以 100 X 倍率对样品成像。接着，将样品调整至近似等心高度，并获取第二张低倍率图像。在玻璃化液体中选择一个用于牺牲性测试的区域，并识别可能由电子束损伤或电荷积累引起的问题。

在样品中搜索目标区域。确定目标区域后，倾斜样品，使表面与铂气体注入系统（GIS）针头方向垂直，并插入GIS针头。将表面加热至28摄氏度，打开阀门约2.5分钟，然后撤回源。

将样品载台向聚焦离子束源倾斜，使有机金属铂暴露于30千伏、2.8纳安、800倍放大条件下的离子束中，持续30秒。随后使用电子束对样品表面成像，以确认表面光滑且无任何充电现象。为制备横截面，首先使用30千伏离子束及较低的体铣电流（约2.8纳安）获取样品表面的快照图像。

确定感兴趣的特征，并大致测量出剖面的位置。为了为X射线创建侧窗，绘制一个相对于沟槽位置旋转90度的常规横截面，并将侧窗放置成其一边与期望的最终横截面大致齐平。调整旋转后图案的大小，以最大化从横截面表面射出的X射线数量。

使用高电流创建一个规则的横截面，截面尺寸只需足够暴露目标特征即可，然后使用30千伏的离子束和目标电流获取样品表面的快照图像。确定目标特征的位置，并最终确定沟槽的放置位置。沟槽应在目标特征两侧各延伸数微米。

确认沟槽边缘与期望的最终截面之间有 1 µm 的材料，并使用铣削程序将 Z 深度设置为 2 µm，铣削过程中定期暂停，必要时用电子束对截面成像。当沟槽远深于目标特征时，记录创建粗沟槽所需的时间，以指导深度控制。为获得最终干净的截面，将离子束电流降低至约 0.92 nA，并对样品表面成像。

在确认目标特征的位置后，使用聚焦离子束软件绘制清洁截面，并将清洁窗口与预先制作的沟槽至少重叠一微米，以减少再沉积现象。然后，根据创建沟槽所需的时间设定Z轴深度值。对于EDX映射，应选择适合样品的电子束条件，并调整样品取向以最大化X射线计数。

插入EDX探测器并设置适当的处理时间。在探测器软件中，打开显微镜设置并启动电子束图像。单击“Hit Record”以测量计数率和死时间。

如果需要调整死时间，请更改EDX时间常数。确定探测器条件后，采集电子束图像，并打开图像设置以选择位深度和图像分辨率。选择X射线面扫描分辨率、能谱范围、通道数以及面扫描驻留时间。

能量范围可低至所使用的束流能量。然后，在EDX软件中选择需要扫描的区域。当扫描完成后，将该图谱保存为数据立方体。

这些在 25 摄氏度和零下 165 摄氏度下对裸露锂箔进行加工的图像表明，将样品冷却至低温有助于在聚焦离子束加工过程中保持其原始状态。对于 EDX 实验，应优化聚焦离子束加工的几何构型，并考虑 EDX 探测器的位置。此处以金属锂电池为例，可观察到制备良好与制备不良的冷冻固定样品之间的差异。

尽管两种样品名义上均按照相同的步骤制备，但短暂暴露于空气中很可能导致了制备不良样品中观察到的表面反应。在非最优条件下，对1,3-二氧戊环和1,2-二甲氧基乙烷中的锂沉积物进行成像时出现对比度变化，这可能表明初始界面保存良好，但在成像过程中因辐射损伤而遭到破坏。相比之下，另一幅对嵌入玻璃态电解质中的死锂及其下方锂基底的成像在2千伏和0.84纳安条件下完成，有效保持了样品表面的形貌特征。

尽管在成像后仍可见部分损伤，但损伤程度已显著降低。在本项分析中，采用EDX成像技术定位在硅酸盐水凝胶中生长的氧化铁纳米颗粒。大视野扫描用于识别感兴趣区域，而更局部的扫描则用于特定位置的精细切割。

样品荷电可能对本实验的成功产生不利影响。请务必根据需要降低束流强度和停留时间，以限制荷电效应。此后，可进行冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）提取，以制备用于透射电子显微镜（TEM）分析的特定位置薄片。

样品可在透射电子显微镜（TEM）中以亚埃级分辨率成像，并利用电子能量损失谱（EELS）和能量色散X射线谱（EDX）绘制化学成分分布图。