אפיון בקנה מידה ננומטרי של ממשקים נוזליים-מוצקים על ידי צימוד כרסום קרן יונים ממוקד קריו עם מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת וספקטרוסקופיה
14 ביולי 2022
טכניקות קרן יונים ממוקדת קריוגנית (FIB) ומיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) יכולות לספק תובנות מפתח לגבי הכימיה והמורפולוגיה של ממשקים מוצקים-נוזליים שלמים. שיטות להכנת מפות ספקטרוסקופיות באיכות גבוהה של פיזור אנרגיה (EDX) של ממשקים כאלה מפורטות, תוך התמקדות בהתקני אגירת אנרגיה.
ניתן להשתמש בשיטת cryo-SEM ו-FIB כדי לחקור ממשקים מוצקים-נוזליים ודגימות ביולוגיות תוך שמירה על המבנה המקורי של הדגימות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא כי cryo-SEM מאפשר למשתמש לחקור במהירות את הממשק של התקנים מקרוסקופיים כמו אלקטרודות סוללת תא מטבע עם רזולוציה של עשרות ננומטרים. התחל על ידי התקנת שלב cryo-SEM ונוגד זיהום.
פינוי תא ה-SEM והתאימו את מערכת הזרקת הגז, ה-GIS, מקור הפלטינה כך שכאשר הוא מוכנס, המקור יישב במרחק של כחמישה מילימטרים ממשטח הדגימה. הגדר את טמפרטורת ה-GIS ל-28 מעלות צלזיוס ופתח את התריס כדי לאוורר את המערכת למשך 30 שניות כדי לנקות כל חומר עודף. לאחר מכן, אפשרו לתא ה-SEM להתפנות למשך שמונה שעות לפחות.
בסוף תקופת הפינוי, הגדר את המיקרוסקופ ואת שלבי ההכנה למינוס 175 מעלות צלזיוס והגדר את האנטי-מזהם למינוס 192 מעלות צלזיוס. כדי להחיות את הדגימה, מלאו ברצף את הנפח העיקרי של רפש החנקן בעל הסיר הכפול ואת הנפח שמסביבו בחנקן נוזלי עד שהחנקן הנוזלי יפסיק לבעבע. אטמו את הרפש המלא עם המכסה ויזמו את משאבת הרפש.
כאשר החנקן הנוזלי מתחיל להתמצק, התחילו לאוורר את סיר הרפש. ברגע שהלחץ גבוה מספיק כדי לאפשר את פתיחת הסיר, מניחים במהירות אך בעדינות את הדגימה בחנקן. כאשר הרתיחה נפסקה סביב הדגימה, השתמש במוט העברה מקורר מראש כדי להעביר את הדגימה לתא הוואקום של מעבורת SEM מקוררת מראש רגע לפני שהחנקן מתחיל לקפוא.
העבירו במהירות את המעבורת למנעול האוויר של תא ההכנה ושאבה במערכת ההעברה. אם תרצה בכך, יש לפזר חמישה עד עשרה ננומטרים של שכבת זהב-פלדיום על משטח הדגימה כדי למתן את הטעינה. לאחר מכן, העבירו את מעבורת הדגימה במהירות ובצורה חלקה ככל האפשר אל שלב המיקרוסקופ המקורר.
עבור הדמיית משטח לדוגמה, תחילה צלם את הדגימה בהגדלה של 100 X. לאחר מכן, הביאו את הדגימה לגובה אוצנטרי בקירוב ורכשו תמונה שנייה בהגדלה נמוכה. בחר אזור בדיקה קורבן בתוך הנוזל המחוספס וזהה בעיות פוטנציאליות שעלולות להיות קיימות עקב נזק לקורה או טעינה.
חפש במדגם את אזורי העניין. כאשר זוהה אזור, הטה את הדגימה כך שהמשטח יהיה תקין לכיוון מחט הפלטינה GIS והכנס את מחט ה- GIS. מחממים את פני השטח ל-28 מעלות צלזיוס ופותחים את השסתום למשך כ-2.5 דקות לפני החזרת המקור.
הטה את מעבורת הדגימה לעבר מקור קרן היונים הממוקדת וחשוף את הפלטינה האורגנו-מתכתית לקרן יונים של 30 קילווולט ב-2.8 ננו-amps והגדלה של 800 X למשך 30 שניות. לאחר מכן, ציירו את משטח הדגימה עם קרן האלקטרונים כדי לוודא שהמשטח חלק וחסר סימני טעינה. כדי להכין חתך רוחב, השתמש תחילה בקרן היונים ב-30 קילובולטים ובזרם כרסום בתפזורת נמוכה יותר של כ-2.8 ננו-חותמות כדי לקבל תמונה של משטח הדגימה.
זהה את תכונת העניין ומדוד את המיקום הגס של החתך. כדי ליצור חלון צדדי לקרני הרנטגן, ציירו חתך רגיל המסובב ב-90 מעלות ביחס למקום שבו תהיה התעלה והניחו את החלון הצדדי עם קצה אחד צמוד בערך לחתך הסופי הרצוי. שנה את גודל התבנית המסובבת כדי למקסם את מספר צילומי הרנטגן כדי לצאת ממשטח החתך.
השתמש בזרם גבוה כדי ליצור חתך רוחב רגיל גדול מספיק כדי לחשוף את תכונת העניין והשתמש בקרן היונים ב 30 קילובולטים ובזרם המעניין כדי לרכוש תמונת מצב של משטח הדגימה. זהה את תכונת העניין והסלים את מיקום התעלה. התעלה צריכה להשתרע מעבר לכל צד של תכונת העניין בכמה מיקרונים.
אשרו כי קיים מיקרומטר אחד של חומר בין קצה התעלה לבין החתך הסופי הרצוי והשתמשו ביישום הטחינה כדי להגדיר את עומק ה-Z לשני מיקרומטרים, ובכך עצרו באופן קבוע את תהליך הטחינה כדי לדמות את החתך עם קרן האלקטרונים לפי הצורך. כאשר התעלה עמוקה הרבה יותר מתכונת העניין, שימו לב למשך הזמן הדרוש ליצירת התעלה המחוספסת שתנחה את העומק. כדי ליצור חתך סופי ונקי, הנמיכו את זרם קרן היונים לכ-0.92 ננו-חותמות ותמונה של פני השטח לדוגמה.
לאחר אימות המיקום של התכונה המעניינת, השתמש בתוכנת קרן היונים הממוקדת כדי לצייר חתך ניקוי וחופף את חלון הניקוי עם התעלה המוכנה מראש במיקרומטר אחד לפחות כדי לסייע בהפחתת התצהיר מחדש. לאחר מכן, השתמש בזמן הדרוש ליצירת התעלה כדי להגדיר את ערך עומק Z. עבור מיפוי EDX, בחר את תנאי הקרן המתאימים לדגימה וכיוון את הדגימה כדי למקסם את ספירות קרני הרנטגן.
הכנס את גלאי EDX והגדר את זמן התהליך המתאים. בתוכנת הגלאי, פתח את הגדרת המיקרוסקופ והתחל את תמונת קרן האלקטרונים. לחץ על לחץ על רשומה כדי למדוד את קצב הספירה ואת הזמן המת.
אם יש צורך להתאים את הזמן המת, שנה את קבוע הזמן של EDX. לאחר קביעת תנאי הגלאי, אספו את תמונת קרן האלקטרונים ופתחו את 'הגדרת תמונה' כדי לבחור את עומק הסיביות ואת רזולוציית התמונה. בחר את רזולוציית מפת הרנטגן, טווח הספקטרום, מספר הערוצים וזמן השהייה במפה.
טווח האנרגיה יכול להיות נמוך כמו אנרגיית הקרן שבה נעשה שימוש. לאחר מכן, בתוכנת EDX, בחר את האזור שעליו ניתן למפות. לאחר השלמת המפה, שמור את המפה כקוביית נתונים.
תמונות אלה של רדיד ליתיום חשוף שנטחן בטמפרטורה של 25 ומינוס 165 מעלות צלזיוס מדגישות כיצד קירור לטמפרטורות קריוגניות יכול לסייע בשימור דגימות במהלך כרסום קרן יונים ממוקדת. עבור ניסויי EDX, יש לייעל את גיאומטריית כרסום קרן היונים הממוקדת ולקחת בחשבון את מיקום גלאי ה- EDX. כאן ניתן להבחין בהבדל בין דגימה משותקת של קריו מוכן היטב לבין מדגם משותק היטב, שניהם באמצעות סוללת מתכת ליתיום כדוגמה.
למרות ששתי הדגימות הוכנו באופן נומינלי על פי אותו הליך, חשיפה קצרה לאוויר ככל הנראה גרמה לתגובות פני השטח שנצפו בדגימה שהוכנה בצורה גרועה. מיפוי משקע ליתיום ב-1, 3-דיוקסולן, 1, 2-דימתוקסיאתאן עם תנאים לא אופטימליים גורם לשינויי ניגודיות, ככל הנראה אינדיקציה לממשק שהשתמר היטב בתחילה שאבד עקב נזקי קרינה במהלך המיפוי. לעומת זאת, מפה זו של ליתיום מת המוטמע באלקטרוליט מוקטן ומצע הליתיום שמתחתיו בוצעה בשני קילובולטים וב-0.84 ננו-אמפים, תוך שמירה על המורפולוגיה של פני השטח של הדגימה.
למרות שחלק מהנזקים עדיין נראים לעין לאחר המיפוי, היקף הנזק מצטמצם באופן משמעותי. בניתוח זה, מיפוי EDX שימש לאיתור ננו-חלקיקים של תחמוצת ברזל שגדלו בהידרוג'ל סיליקה. סריקות שדה ראייה גדולות אפשרו זיהוי של אזורי עניין, בעוד שסריקות מקומיות יותר שימשו לכרסום ספציפי לאתר.
טעינה לדוגמה עלולה להזיק להצלחתו של הליך זה. זכור להוריד את זרמי הקורה ואת זמני השהייה לפי הצורך כדי להגביל את השפעות הטעינה. לאחר מכן, ניתן לבצע הרמה cryo-FIB כדי להכין lamella ספציפי לאתר לניתוח TEM.
ניתן לצלם דגימות ברזולוציית תת-אנגסטרום ולמפות את ההתפלגות הכימית באמצעות EELS ו-EDX במכשיר TEM.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה דן בשימוש בטכניקות של קרן יונים ממוקדת בקירור קריוגני (Cryogenic Focused Ion Beam - FIB) ומיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) לחקר ממשקים מוצק-נוזל תוך שימור המבנה הטבעי שלהם. השיטות המתוארות מתמקדות בהכנת מפות ספקטרוסקופיות של קרני רנטגן בדיספרסיה אנרגטית (EDX) באיכות גבוהה, במיוחד בהקשר של התקני אגירת אנרגיה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה
- מדע החומרים
רקע
- Cryo-SEM ו-FIB הן טכניקות מתקדמות לניתוח ממשקים.
- שיטות אלו מאפשרות דימות ברזולוציה גבוהה של דגימות ביולוגיות ודגימות מוצק-נוזל.
- שימור המבנה הטבעי חיוני לצורך ניתוח מדויק.
- היישומים כוללים חקר של התקני אגירת אנרגיה כגון סוללות.
מטרת המחקר
- מתן תובנות לגבי הכימיה והמורפולוגיה של ממשקי מוצק-נוזל.
- פירוט שיטות להכנת מפות ספקטרוסקופיות של EDX.
- שיפור ההבנה של ממשקים במכשירי אגירת אנרגיה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- התקנה של במה ל-cryo-SEM ומערכת למניעת זיהום (anticontaminator).
- ריקון של תא ה-SEM וכיוון של מערכת הזרקת הגז.
- קביעת הטמפרטורה של ה-GIS ואוורור המערכת.
- מתן זמן של שמונה שעות לפחות לריקון תא ה-SEM.
תוצאות עיקריות
- הושגה דמיון ברזולוציה גבוהה של התקנים מאקרוסקופיים.
- הודגמה הכנה יעילה של מפות EDX.
- אושר השמירה על שלמות הדגימה.
- סופקו תובנות לגבי כימיה של ממשק מוצק-נוזל.
מסקנות
- Cryo-SEM ו-FIB הם כלים בעלי ערך לניתוח ממשקים.
- ניתן ליישם את השיטות המתוארות במגוון התקני אגירה של אנרגיה.
- מחקרים נוספים יכולים להתבסס על טכניקות אלו לשיפור ההבנה של החומרים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למסמך המנהלים
אפיון של ממשקים מוצק-נוזל בקנה מידה ננומטרי הוא קריטי להפחתת סיכונים בתהליכי תיקוף של יעדים במערכות אגירת אנרגיה ומערכות אלקטרוכימיות. גישת cryo-FIB/SEM זו מאפשרת ביטחון בתוצאות החיזוי על ידי שימור המבנה הטבעי של הממשק במהלך דימוי ברזולוציה גבוהה ומיפוי כימי. השיטה תומכת בתהליכי עבודה של גילוי מוקדם, שבהם יציבות הממשק והרכבו משפיעים ישירות על ההבנה המכניסטית ועל החלטות תיק פיתוח במו"פ מונחה-חומרים.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של מבנה וכימיה של ממשקי מוצק-נוזל כדי להבהיר את היציבות התרמודינמית והקינטית של חומרים פעילים.
- ערך תפעולי: משמר מצבים הידרטיים או אלקטרוליטיים טבעיים במהלך ההכנה, ובכך מפחית ארטיפקטים המערפלים את בדיקת ההשערה המטרתית.
- ערך חיזוי: מספק נתונים הרכביים ומורפולוגיים בקנה מידה ננומטרי לתמיכה בהחלטות go/no-go בסריקת חומרים לאגירת אנרגיה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר מפות EDX ו-EELS כמותיות עבור הפצה אלמנטרית וניתוח מצב כימי בממשקים קבורים.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה להכנת דגימות בקריוגניה ולשיוף חתך רוחב עבור פרופיל ממשק הדיר במגוון וריאנטים של חומרים.
- מוכנות הבדיקה: מפיק מערכי נתונים מבניים וכימיים ברמת דיוק גבוהה, המתאימים לאימון אלגוריתמי ולהצלבה עם מדדי ביצועים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מגשרת בין אפיון ממשקים בקנה מידה של גילוי לבין תיקוף פרה-קליני על ידי שימור המצב הטבעי באמצעות דימוי רב-קנה מידה.
- צמצום סיכונים: מזהה נתיבי דגרדציה בממשק (למשל, היווצרות דנדריטים של ליתיום, פירוק אלקטרוליט) המנחים את ניתוח מצבי הכשל.
- הלימה למסמני ביולוגיים: מקשרת בין הכימיה של הממשק לבין פלטים פונקציונליים כגון יעילות מחזוריות או עכבת ממשק.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני עבור חומרים לאגירת אנרגיה, ותומכת בסריקה מונחית-היפותזה, בייצוב ממשקים ובניתוח כשלים לפני הגדלת קנה המידה (scale-up).
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת השערות לגבי תגובות בינרגיות והיווצרות תוצרי לוואי במערכות אלקטרוכימיות.
- סריקה: מאפשר הכנה סטנדרטית של חתכים רוחביים לצורך מיפוי EDX השוואתי בין פורמולציות שונות של אלקטרוליטים ומבני אלקטרודות.
- אנליטיקה: מספק מפות יסודיות כמותיות ונתונים ספקטרליים כדי לקשור בין הרכב הממשק לבין הידרדרות בביצועים.
- מחקר טרנסלציונלי: מקשר בין תצפיות בממשקים בקנה מידה ננומטרי להתנהגות התקן בקנה מידה מאקרוסקופי באמצעות דימוי וספקטרוסקופיה קורלטיביים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס יכולת פלטפורמה לניתוח ממשקים שניתן ליישם בחומרי סוללות, קטליזה והתקנים אלקטרוכימיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי שימור מבנה הממשק המקורי בין המוצק לנוזל במהלך האנליזה.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות קריו-סטביליזציה ופרוטוקולי כרסום FIB סטנדרטיים.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי מתן אפשרות לגילוי מוקדם של מנגנוני חוסר יציבות בממשקים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בקידום מותאם סיכונים על ידי זיהוי זוגות אלקטרוליט-אלקטרודה יציבים באמצעות תצפית ישירה בננו-קנה מידה.
שיקולי יישום
- מומחיות בטיפול בדגימות קריוגניות, תפעול FIB/SEM ואפיון של חומרים הרגישים לאלומה.
- גישה למערכות cryo-FIB/SEM של אלומה כפולה עם גלאי EDX/EELS ותשתית לטיפול בחנקן נוזלי.
- סטנדרטיזציה של פרוטוקולי ויטריפיקציה, כרסום והעברה בין צוותים ואתרים שונים.
- שיקולי התאמה עבור אלקטרוליטים אורגניים הרגישים לאלומה ומערכות המכילות ליתיום הדורשות דימות במינון נמוך.
- מגבלות מעשיות כוללות ארטיפקטים המושרים על ידי האלומה בזרמים גבוהים ואפקטי טעינה בשכבות מבודדות, המופחתים על ידי עבודה ב-low-kV וציפוי מוליך.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:29
Scanning Electron Microscope (SEM) and Cryogenic Station Preparation
1:31
Sample Vitrification
2:51
Sample Surface Imaging and Feature Location
4:19
Cross-Section Preparation
6:52
Energy Dispersive X-Ray (EDX) Mapping
8:12
Results: Representative Nanoscale Liquid-Solid Interface Characterization
10:24
Conclusion
