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高大上的FIB来啦，高水平论文都在用，带你上分，带你毕业！

来源：测试GO 时间：2022-11-11 09:00:00 浏览：10276次

你是否还在为如何提高文章档次而发愁？

你是否还在纠结别人的SEM、TEM图片为何如此“与众不同”？

了解完了各种原位测试，熟悉了各种理论计算，难道就满足了吗？

不！学无止境！要想文章发的好，FIB（聚焦离子束）测试少不了！

本期，笔者就带领大家走进频现高水平论文的FIB测试，揭一揭这个高端测试的庐山真面目！

01

FIB的基本原理简介

FIB（聚焦离子束，Focused ion beam）能将离子源（大多数商用FIB都用Ga源，也有部分具有He和Ne等离子源）产生的离子束经过离子枪加速，聚焦后作用于样品表面，是微纳加工技术中不可替代的重要技术之一。

FIB从本质上讲与电子束曝光系统一样，由离子发射源、离子光柱、工作台、真空与控制系统等结构组成。目前，最典型的FIB系统为两级透镜系统（图1）。在该系统下，液态金属离子源产生的离子束在外加电场的作用下，形成一个极小的尖端，再加上负电场牵引尖端的金属，从而导出离子束。

首先，在通过第一级光阑之后，离子束被第一级静电透镜聚焦，初级偏转器用于调整离子束以减小像散。经过一系列的可变化孔径，可灵活改变离子束束斑的大小。其次，次级八极偏转器使离子束根据被定义的加工图形进行扫描加工，通过消隐偏转器和消隐阻挡膜孔可实现离子束的消隐。最后，通过第二级静电透镜，离子束被聚焦到非常精细的束斑。被聚焦的离子束轰击在样品表面，产生的二次电子和离子被对应的探测器收集并成像。

图1 典型FIB的结构

02

FIB的发展历史

1910年，Thomson等人发明了气体放电型离子源，标志着FIB的初步诞生！

1975年，Swanson等人开发了首个基于场发射技术的FIB系统，并采用气场电离源。也就是在这一年，Ringo等科研人员在研究用于卫星助推器的铯离子源的过程中开发出了一款高亮度离子源：液态金属离子源（liquid metal ion source，LMIS），标志着FIB技术的离子源正式进入到新的时代。

1978年，第一套基于LMIS的FIB系统正式问世，此后，FIB进入高速发展期！

1988年，第一台聚焦离子束与扫描电镜双束系统（FIB-SEM）被成功开发出来！时至今日，几乎所有FIB设备都会与SEM结合成双束系统。

20世纪90年代，FIB双束系统走出实验室开始了商业化，并不断与各种探测器、微纳操纵仪及测试装置集成，逐渐成为了一个集微区成像、加工、分析、操纵于一体的综合性加工与表征设备。

03

FIB应用分类及实例

从材料科学的角度来看，FIB能够以几乎无应力的方式进行超精细加工，对材料几乎没有特殊要求，因而最早在光掩模的修补、IC电路的修改、故障诊断分析和样品制备等方面得到了大规模应用。

而我们在高水平论文中见得最多的FIB技术主要指FIB-SEM和FIB-TEM。前者指的是利用FIB准确定位切割，制备截面样品，从而可以进行SEM和EDS能谱分析；后者则是对薄膜、涂层、粉末大颗粒和块体等样品，在指定位置准确定位切割，从而进行TEM样品的制备。具体实例如下：

实例1：观测Cu/氧化物异质结电极形貌和结构

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929422001991?via%3Dihub

由可再生电力驱动的电化学CO₂还原反应（CO₂RR）可以将CO₂转化为高附加值的化学品和燃料，并将多余的电力储存为化学能。理论上，CO₂RR过程可以得到各种各样的产物，其中含有C-C键的碳氢化合物（表示为C2+产物）具有高能量密度和价值。迄今为止，铜（Cu）是最主要的电催化剂，然而由于Cu催化剂上C-C偶联过程的低效性，电化学CO₂还原制备高附加值多碳产物的性能一直受到限制。

有鉴于此，浙江大学吴浩斌团队通过研究表明金属氧化物能够稳定吸附CO₂^∗/CO^∗，并降低C-C偶联过程的吉布斯自由能，从而促进电极上C₂₊产物的形成。作者表征了经由ZrO₂修饰的Cu (Cu-ZrO₂)电极，从FIB-SEM图可以清晰的看到ZrO₂纳米粒子与铜箔的粗糙表面紧密接触（图2）。性能测试表明，所制备出的Cu-ZrO₂电极表现出高达85%的C₂₊产物（即乙烯、乙醇和正丙醇）法拉第效率，并且在H型电解槽中可以稳定运行超过66 h，远优于此前报道的其它Cu基催化剂/电极（图3）。

图2 Cu-ZrO₂电极的合成、SEM图、FIB-SEM及对应的元素分布图

图3 Cu-ZrO₂电极的CO₂RR性能

实例2：FIB-SEM用于结构和成分研究

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521005565

层状过渡金属氧化物LiNi_xMn_yCo_zO₂ （NCM）因具有高的能量密度和低的制备成本，已成为未来锂离子电池最有潜力的正极材料之一。人们可以通过提高其中的镍含量，从而进一步提高电池的能量密度。然而，随着镍含量的提高，碳酸盐电解质溶剂更容易与正极活性物质发生一系列副反应，极易导致正极颗粒开裂和不可逆的相变，使得电池容量快速衰减，热稳定性显著变差。因此，亟需提高富镍（LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂，NCM811）正极材料的界面稳定性以改善其综合电化学性能。

有鉴于此，华中科技大学韩建涛与方淳等人在传统碳酸酯基电解液中加入少量添加剂（双草酸硼酸锂（LIBOB），多巴胺（DA）），利用在富镍正极表面的电化学反应，氧化原位形成有机/无机复合正极-电解质-界面相（CEI），该界面能够保持均匀稳定并快速的传输锂离子。FIB-SEM及相应的元素分布显示，在100个循环之后，电解质已充分渗入次级颗粒的内部，并且颗粒内部存在的明显的内部裂纹。相反，添加了LiBOB和DA的电解质则具有相对均匀稳定的界面膜，对正极材料提供了很好的保护，后续循环后无明显的裂纹产生（图4）。电化学性能测试表明，在含有LiBOB和DA双添加剂的协同作用下，电池在1 C下循环200次后显示出超过90%的高容量保持率，并在20 C大倍率下保持了118 mAh g^-1的高比容量（图5）。

图4 LiBOB和DA双添加剂添加前后的NCM电极的FIB-SEM图像及相应的元素分布图

图5 LiBOB和DA双添加剂添加前后的NCM的电化学性能对比

实例3：制备TEM样品

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c10872

随着环境污染的日益加剧及传统能源枯竭的现状越发无法遏制，人们开始将目光投向各种可持续发展的绿色能源或新型的储能技术上。固态电池（SSB）由于采用可抑制锂枝晶生长的固态电解质（SSE），使得其余液态电池相比具有更高的能量密度和更高的安全性。然而，SSE和电极之间的不良接触造成的界面问题常年来严重阻碍了SSB的大规模制备。

有鉴于此，中科院化学所的万立骏团队采用配位辅助沉积方法设计了一种具有纳米级精度的SSB负极/固态电解质界面。作者将人造Al₂O₃界面纳米薄膜沉积在石榴石结构的陶瓷SSE（Li_6.5La₃Zr_1.5Ta_0.5O₁₂，LLZT）上，采用FIB将用于横截面TEM的样品进行离子研磨，结果表明在LLZT上成功制备了大表面积且均匀的Al₂O₃表面层（LLZT-Al）（图6）。电化学性能测试结果表明，这种沉积策略可以导致界面面积电阻率显著降低，从2079.5 Ω降低至8.4 Ω！此外，作者分别以LFP和NCM_0.83为正极，在25°C下对LLZT-Al电解质进行全电池测试，均显示出了高的可逆容量和稳定的长循环特性（图7）。这项工作对于高性能SSB的大规模商业化制备具有重要的推动作用！