JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לביצוע בניסויים תגובת גז תא סגור situ TEM תוך פירוט מספר שיטות הכנה מדגם נפוץ.

Abstract

תגובות גז שנחקרו על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים situ ניתן להשתמש כדי ללכוד את התמורות מורפולוגיות ומיקרוכימיות בזמן אמת של חומרים באורך קשקשים עד לרמה האטומית. באתרו סגור תאים תגובת גז (CCGR) מחקרים שבוצעו באמצעות (סריקה) מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (STEM) יכול להפריד ולזהות תגובות דינמיות מקומיות, אשר מאתגר מאוד ללכוד באמצעות טכניקות אפיון אחרות. בניסויים אלה השתמשנו במחזיק CCGR המשתמש במיקרו-שבבי חימום מבוססי מיקרואלקטרוניקה (MEMS) (להלן "שבבי E"). הפרוטוקול הניסיוני המתואר כאן מפרט את שיטת הביצוע בתגובות גז באתרו בגזים יבשים ורטובים ב- STEM מתוקן סטייה. שיטה זו מוצאת רלוונטיות במערכות חומרים רבות ושונות, כגון קטליזה וחמצון בטמפרטורה גבוהה של חומרים מבניים בלחץ אטמוספרי ובנוכחות גזים שונים עם או בלי אדי מים. כאן מתוארות מספר שיטות הכנה לדוגמה עבור גורמי צורה חומריים שונים. במהלך התגובה, ספקטרום המוני המתקבל עם מערכת מנתח גז שיורית (RGA) עם ובלי אדי מים מאמת עוד יותר את תנאי החשיפה לגז במהלך התגובות. שילוב RGA עם מערכת CCGR-STEM במקום יכול, אם כן, לספק תובנה קריטית כדי לתאם את הרכב הגז עם התפתחות פני השטח הדינמית של חומרים במהלך התגובות. באתרו/ אופרנדו מחקרים באמצעותגישה זו מאפשרים חקירה מפורטת של מנגנוני התגובה הבסיסיים וקינטיקה המתרחשים בתנאים סביבתיים ספציפיים (זמן, טמפרטורה, גז, לחץ), בזמן אמת, וברזולוציה מרחבית גבוהה.

Introduction

יש צורך לקבל מידע מפורט על האופן שבו חומר עובר שינויים מבניים וכימיים תחת חשיפה לגז תגובתי ו בטמפרטורות גבוהות. באתרו סגור תאים תגובת גז (CCGR) סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (STEM) פותחה במיוחד כדי ללמוד את השינויים הדינמיים המתרחשים במגוון רחב של מערכות חומר (למשל, זרזים, חומרים מבניים, צינוריות פחמן, וכו ') כאשר נתון לטמפרטורות גבוהות, סביבות גזיות שונות, ולחצים מ ואקום ללחץ אטמוספרי מלא1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. גישה זו יכולה להיות מועילה במספר מקרים, למשל, בפיתוח מואץ של זרזים מהדור הבא שחשובים למספר תהליכי המרה תעשייתיים, כגון המרה חד-שלבית של אתנול ל- n-but מעל Ag-ZrO2/ SiO213, זרזים לתגובת הפחתת חמצן ותגובת האבולוציה מימן ביישומים תא דלק14,15, קטליטי CO2 הידרוגנציה16, נפגשו דהידרוגנזה לפורמלדהיד או התייבשות לאתר דימתיל המשתמשים בזרזים מתכתיים או בצינורות פחמן מרובי קירות בתגובת המרת מתנול בנוכחותחמצן 17. יישומים אחרונים של זה בטכניקת situ למחקרקטליזה 1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 סיפקו תובנה חדשה לשינויים צורה דינמיתזרז 10,11,23, faceting7, צמיחה, וניידות8,20,24. יתר על כן, באתרו CCGR-STEM ניתן להשתמש כדי לחקור את התנהגות חמצון בטמפרטורה גבוהה של חומרים מבניים החשופים לסביבות אגרסיביות, ממנועי טורבינת גז לכורי ביקוע והיתוך מהדור הבא, שם לא רק כוח, קשיחות שבר, ריתוך או קרינה חשובים אלא גם עמידות חמצון בטמפרטורה גבוהה25,26,27,28,29. ספציפי סגסוגות מבניות, בניסויים CCGR-STEM situ לאפשר מעקב דינמי של נדידת גבול תבואה הנגרמת על ידי דיפוזיה בתנאים מפחיתים9 ומדידות של קינטיקה חמצון בטמפרטורה גבוהה5,6,30. במשך כמה עשורים לפני הפיתוח האחרון של טכנולוגיות CCGR, במחקרים תגובת גז situ נערכו באמצעות TEMs סביבתי ייעודי (E-TEMs). השוואה מפורטת של E-TEM ו- CCGR-STEM טופלה בעבר10; לכן, יכולות E-TEM אינן נידונות בהמשך העבודה הנוכחית.

בעבודה זו, מערכת מסחרית זמינה (טבלה של חומרים) הכוללת סעפת נשלטת על ידי מחשב (מערכת אספקת גז) ומחזיק CCGR TEM שתוכנן במיוחד המשתמש בזוג התקני שבבי סיליקון מבוססי מיקרואלקטרוניקה (MEMS) (למשל, שבב מרווח ותנור "E-chip"(שולחן החומרים))שימשו. כל שבב אלקטרוני תומך בקרום SixNy אמורפי ושקוף אלקטרונים. שבב המרווח כולל קרום SixNy בעובי 50 ננומטר עם אזור צפייה של 300 x 300 מיקרומטר2 ופוטורסיסט מבוסס אפוקסי בעובי 5 מיקרומטר (SU-8) מגעי "מרווח" זעירים כדי לספק נתיב זרימת גז ולשמור על קיזוז פיזי בין שני השבבים המשויכים(איור 1A). חלק מהשבב האלקטרוני מכוסה במוליכות נמוכה ~ 100 ננומטר קרום קרמיקה SiC; הממברנה כוללת מערך של 3 x 2 של 8 חורים חרוטים בקוטר μm החופפים לקרום SixNy אמורפי בעובי של כ-30 ננומטר (אזור הצפייה SixNy) (איור 1A ואיור 2D),שדרכו מתועדות תמונות. השבב E משמש תפקיד כפול הן תמיכה דגימה תנור6. מגעי Au הם microfabricated על שבב E כדי לאפשר חימום התנגדותי של קרום SiC. כל שבב אלקטרוני מכויל בשיטות הדמיה של קרינת אינפרא אדום (IR)(טבלת חומרים)2 והוכח כמדויק בטווח של ±5%31. כיול הטמפרטורה אינו תלוי בהרכב הגז ובלחץ, ובכך מספק שליטה עצמאית על טמפרטורות התגובה בכל תנאי גז נבחרים. היתרון של תנור סרט דק הוא כי טמפרטורות עד 1,000 °C (60 °F) ניתן להגיע בתוך אלפיות שנייה. על מנת לבצע את התגובה, שבב E ממוקם על החלק העליון של שבב מרווח, יצירת תא סגור "כריך" המבודד את הסביבה סביב הדגימה מן הוואקום הגבוה של עמוד TEM. היתרון של התקנה זו הוא כי התגובות יכולות להתבצע מלחץ נמוך עד לחץ אטמוספרי (760 Torr) עם גזים בודדים או מעורבים ובתנאי סטטי או זרימה. התקני MEMS מאובטחים באמצעות מהדק(איור 1B)המאפשר להכניס את המחזיק בתוך המרווח בגודל מ"מ של פיסת עמוד העדשה האובייקטיבית בכלי S/TEM מתוקן סטייה(Table of Materials)(איור 1C). מחזיקי situ S/TEM מודרניים כוללים צינורות מיקרו-נוזליים משולבים (נימים) המחוברים לצינורות נירוסטה חיצוניים, אשר בתורם מחוברים למערכת אספקת הגז (סעפת). מערכת בקרה אלקטרונית מאפשרת אספקה והזרמה מבוקרת של גז מגיב דרך תא הגז. זרימת גז וטמפרטורה מופעלים על ידי חבילת תוכנה מותאמת אישית המבוססת על זרימת עבודה המסופקת על ידי היצרן(שולחן החומרים)10,32. התוכנה שולטת בשלושה קווי הזנת גז, שני מיכלי אספקת גז ניסיוניים פנימיים ומיכל קבלה לזרימת גז החוזר מהתא במהלך הניסוי (איור 1D).

בשל השונות של חומרים וגורם הצורה שלהם, אנו מתמקדים תחילה במספר שיטות תצהיר דגימה על שבב E, לאחר מכן מתאר פרוטוקולים לביצוע כמותי בניסויים situ / operando עם טמפרטורה מבוקרת, ערבוב גז וזרימה.

Protocol

1. הכנת שבב אלקטרוני

  1. תצהיר אבקה ישיר על ידי הטלת טיפה מתמיסה קולואידית (איור 2A).
    1. מועכים את האבקה אם אגרגטי חלקיקי האבקה גדולים מדי. לעשות זאת באמצעות מרגמה קטנה ועלי (אגרגטים כתוש צריך להיות <5 מיקרומטר בגודל). מערבבים כמות קטנה (למשל, ~ 0.005 מ"ג, כמות שנקבעה על ידי ניסיון) של אבקה ב 2 מ"ל של הממס (למשל, isopropanol או אתנול).
    2. Sonicate את התערובת במשך כ 5 דקות כדי ליצור השעיה קולואידית.
    3. הנח את השבב האלקטרוני על מתקן ההחזקה של השבב האלקטרוני. טיפה יצוק כ 1 μL של ההשעיה באמצעות מיקרו פיפטה 0.5-2.5 μL ישירות על שבב E.
    4. נקה את המגעים Au כדי להסיר את ההשעיה עם נקודת נייר סופג בעת צפייה דרך מיקרוסקופ סטריאו.
  2. תצהיר אבקה ישיר דרך מסכה (איור 2B).
    1. לרסק את האבקה (למשל, Pt / TiO2) יבש, אם חלקיקי אבקה גדולים מדי (כמו 1.1.1).
    2. הניחו שבב E נקי חדש על גוף שמירה על שבב E (איור 3D). השתמש במסכה, שהיא שבב אלקטרוני נוסף עם קרום SixNy הוסר (על ידי שבירתו עם פינצטה או גז דחוס) ומניחים אותו ישירות על שבב E בתוך המתקן.
    3. השתמש בצלחת העליונה כדי להדק שבב E נקי חדש ומסכה יחד בתוך המתקן.
    4. להפקיד כמות קטנה של האבקה באמצעות מרית ישירות על קרום הניטריל סיליקון במסכה.
    5. בעדינות לרטוט את המתקן לנער את החלקיקים עד E-שבב. זה יכול להיעשות באמצעות יחידת פינצטה ואקום על ידי החזקת המתקן לחלק העליון של היחידה בזמן שהוא פועל או באמצעות יחידת sonication והנחת המתקן ב יבשה.
    6. לנער את האבקה עודפת, לפרק את המערכת ולבדוק את המיקום של אבקה יבשה על שבב E באמצעות מיקרוסקופ סטריאו.
  3. שיטת תצהיר על ידי אידוי קרן אלקטרונים, יון, או sputtering מגנטרון.
    הערה: שיטה זו משמשת ליצירת מערכת אלמנט יחיד או דגימות סגסוגת מודל של גיאומטריה ידועה והרכב.
    1. יצירת מסיכת דוגמת מילוי (איור 3).
      הערה: הכינו את מסיכת התבנית מראש מכיוון שהיא אורכת זמן מה.
    2. השתמש בשבב מרווח עם קרום SixNy שהוסר. בניסוי זה, נעשה שימוש בשבב אלקטרוני נפוץ בניסויים בתאים נוזליים לאחר ששבר בעדינות את קרום SixNy אשר הביא לפתיחת 50 x 250 מיקרומטר. שבב מרווח זה עם הוסר SixNy קרום ישולב עם שבב אחר, בעל מערך של חורים (למשל, סיליקון nitride (SiN) Microporous TEM חלון 33).
    3. השתמש בדבק ציאנואקרילאט (CA)(לוח חומרים)כדי לחבר את חלון ה- TEM המיקרו-נקבובי של SiN עם הפנים כלפי מטה (סרט דפוס SiN הרחק משבב המרווח) מעל הפתיחה של 50 x 250 מיקרומטר בעקבות המלצת היצרן (איור 3B, C).
    4. חזור על ההליך כדי להכין מסכות דפוס רבות ככל הנדרש, בהתאם לניסויים המתוכננים.
    5. הניחו שבב E נקי חדש על גוף השבב האלקטרוני (איור 3D).
    6. הנח את מסיכת התבנית על השבב האלקטרוני(איור 3C, D).
    7. מכסים בצלחת העליונה ומהדקים אותה(איור 3D).
    8. השתמש בטכניקות אידוי קרן אלקטרונים, סינון יון או טכניקות תצהיר מגנט. אלה הן השיטות המומלצות המשמשות כדי sputter חומר מעניין ישירות דרך מסכת דפוס.
      הערה: זה עשוי להיות חשוב לטהר את מערכת התצהיר כדי להסיר שאריות חמצן לפני התצהיר עבור פיקדונות חומר טוהר גבוהיותר 33.
    9. לפרק את המערכת ולבדוק את שבב E עם מיקרוסקופ סטריאו כדי להבטיח דבקות טובה של החומר שהופקד על קרום SixNy של שבב אלקטרוני.
  4. כרסום קרן יון ממוקד (FIB) (איור 2C).
    1. הכן TEM lamella סטנדרטי באמצעות FIB. השתמש kV נמוך (למשל, 2-5 kV) עבור שלב הטחינה הסופי כדי להסיר נזק שנגרם על ידי כרסום FIB במתח גבוה (30-40 kV).
    2. הנח את TEM lamella על השבב האלקטרוני באמצעות נהלי FIB סטנדרטיים. אין לפגוע בקרום SixNy בעת הצמדת הלאמלה TEM שהוכנה על ידי FIB לשבב האלקטרוני. ראה אלארד ואח '34 ופרסומים אחרים30,35,36 לפרטים על מגוון השיטות באמצעות מכשירי Xe-PFIB ו- Ga-FIB להכנת lamella.

2. הכנת האווירה (CCGR-TEM) מחזיק

  1. הורד את קובץ הכיול הרצוי.
  2. למדוד את ההתנגדות של תנור SiC כדי להבטיח כי הוא נמצא בטווח ההתנגדות עבור כיול E-שבב מסוים זה כפי שסופק על ידי יצרן CCGR.
  3. הסר את המהדק ממחזיק CCGR-TEM.
  4. נקו את קצה מחזיק CCGR-TEM באמצעות נקודות נייר סופגות ו/או אוויר דחוס, וודאו שלא נשארו פסולת בחריצים של O-ring. לאחר מכן הניחו את אטם האטם הכפול המיוחד בקצה.
  5. הנח את שבב המרווח במחזיק CCGR-TEM.
  6. מניחים את השבב האלקטרוני המכיל את הדגימה שהוכנה על ידי אחת השיטות שהוזכרו בסעיף 1 עם מגעי התנור כלפי מטה על שבב המרווח, מה שהופך את החיבור הנכון למגעים החשמליים של כבל הגמישות בתוך המחזיק.
  7. מקם את לוחית המהדק של המחזיק בחלק העליון של השבב האלקטרוני באמצעות פינצטה, מקם את הברגים במיקום המיועד בקצה מחזיק CCGR-TEM ולאחר מכן מומנט ברגים להגדיר עם מומנט סופי ל 0.2 lb-ft.
  8. למדוד שוב, ההתנגדות של תנור SiC לאחר הרכבת מחזיק CCGR-TEM כדי להבטיח כי הוא נמצא בטווח ההתנגדות עבור כיול מסוים E-שבב כפי שסופק על ידי יצרן CCGR.
    הערה: כאן נעשה שימוש במתאם מיוחד, המתחבר ישירות לחיבורים החשמליים של המחזיק. זה מאפשר מדידות ההתנגדות להתבצע באמצעות מחזיק CCGR-TEM והתקני שבב מזווגים הרכבה תוך הרכבה מלאה לתוך המחזיק.

3. הכנת ההתקנה הניסיונית

  1. אופים ומזרימים את המערכת (סעפת, מחזיק, מיכלי גז ותא RGA) למשך הלילה, עם או בלי המחזיק המחובר על ידי לחיצה על כפתור Bake בתוכנת בקרת הגז.
  2. העמיסו את המחזיק למיקרוסקופ אלקטרוני ההולכה הסורק וחברו את צינורות הגז מהסעפת למחזיק CCGR-TEM.
  3. לצורך הניסוי, לשאוב ולטהר את המערכת עם גז אינרטי (למשל, Ar או N2) פעמיים מ 100 טור ל 0.5 טור.
  4. בצע משאבה סופית וטיהור מ 100 טור ל 0.001 טור. זה יבטיח שכל מערכת אספקת הגז, מסעפת הגז למחזיק, תנקה ותשטף בגז אינרטי.
  5. מנתח גז שיורית - במהלך הליך המשאבה והטיהור, הפעל את מערכת RGA כדי לחמם את חוט הים.

4. הכנת מערכת אספקת אדי המים (VDS)

הערה: הוראות אלה הן לניסויים ספציפיים הכוללים אספקה מבוקרת של גז בצורת אדים (למשל, אדי מים). בקרת אספקת הגז מתבצעת באמצעות תוכנת בקרת הגז המסופקת על ידי היצרן(שולחן החומרים).

  1. חבר את גז הטיהור (למשל, N2)ל- VDS, סובב את ידית הידית ל- פליטהולאחר מכן פנה למיקום הפארק.
  2. לטהר את VDS (לחזור 4.1) על ידי הזרמת גז אינרטי שלוש פעמים או עד נוזל נוסף אינו קיים.
  3. סובבו את ידית הידית לתנוחת הפארק וחברו את ה-VDS לסעפת.
  4. סובבו את ידית הידית לתנוחת המילוי והסירו את צינור הגז של הטיהור.
  5. כוון את לחץ האדים ל-18.7 טור בתוכנת בקרת הגז.
  6. בתוכנה, לשאוב את VDS כדי ואקום (0.1 Torr) על ידי בחירת קו הקלט ולחיצה על כפתור המשאבה.
  7. ממלאים את ה-VDS במים (2 מ"ל) באמצעות מזרק וצינורות.
    הערה: אם יש צורך באדי טוהר גבוהים יותר, ייתכן שיידרשו צעדי טיהור נוספים.

5. הפעלת התגובה

  1. ודא שכל הגזים שישמשו בניסויים (למשל, N2, אדי מים ו- O2) מחוברים לסעפת.
  2. עם תוכנת בקרת הגז תחת מתן שמות, הגדר את השמות עבור הגזים הדרושים לתגובה ושמור את קובץ ".csv" הגולמי כך שנוצר קובץ יומן רישום פועל עבור הניסוי.
  3. תחת התקנת שבב אלקטרוני, בחר את קובץ הכיול המשויך (כלומר, כמתואר ב- 2.5) עבור השבב האלקטרוני הנמצא בשימוש וכיול הפעלה. כפי שהוזכר קודם לכן בסעיף מבוא, כל E-שבב הוא טמפרטורה מכויל באמצעות קרינה אינפרא אדום (IR) הדמיה מהיצרן.
  4. תחת משאבה וטיהור, ראה הכנת התקנה ניסיונית.
  5. תחת בקרת גז, בחר את שם הגז הרצוי ואת הרכבו (למשל, אחוז בחירה עבור כל גז) עבור הניסוי.
  6. תחת טמפרטורה, בחר את קצב החימום הרצוי ואת טמפרטורת היעד עבור טמפרטורת הריבית עבור הניסוי ולחץ על לחצן התחל.
  7. התחל להזרים את הגז על-ידי לחיצה על לחצן התחל תחת המקטע בקרת גז.

6. סוף הניסוי

  1. לאחר השלמת התגובה, להפסיק להזרים את הגז, לכבות את ידית הטמפרטורה, ולסיים את הפגישה באמצעות הליך משאבה וטיהור (למשל, בהתאם לתגובה שבוצעה, לבצע הליך משאבה וטיהור מ 100 Torr כדי 0.1 Torr 2-3 פעמים).
  2. לפני הסרת מחזיק CCGR-TEM באתרו ממיקרוסקופ האלקטרונים, ודא כי לחץ המחזיק מוחזר ללחץ אטמוספרי.

תוצאות

דגימות לתגובות גז תאים סגורים מבוססות MEMS:
תצהיר אבקה ישיר על ידי יציקת טיפה מתמיסה קולואידית ודרך מסכה
בהתאם לחומר שיש ללמוד, ישנן מספר דרכים שונות להכין שבבי E עבור בניסויים situ /operando CCGR-STEM. הכנת תא הגז למחקרי קטליזה דורשת בדרך כלל פיזור של חלקיקי הזרז על השבב האלק?...

Discussion

בעבודה הנוכחית, גישה לבצע בתגובות STEM situ עם ובלי אדי מים הוא הפגין. השלב הקריטי בתוך הפרוטוקול הוא הכנת שבב אלקטרוני ושמירה על שלמותו במהלך הליך הטעינה. המגבלה של הטכניקה היא (א) גודל הדגימה והגיאומטריה שלה כדי להתאים את הפער הנומינלי 5 מיקרומטר בין זיווג (MEMS) מבוססי התקני שבב סיליקון, כמ...

Disclosures

המחברים מצהירים שאין ניגודי אינטרסים.

כתב יד זה נכתב על ידי UT-Battelle, LLC תחת חוזה מס '. DE-AC05-00OR22725 עם משרד האנרגיה האמריקאי. ממשלת ארצות הברית שומרת לעצמה והמוציא לאור, על ידי קבלת המאמר לפרסום, מכיר בכך שממשלת ארצות הברית שומרת על רישיון עולמי לא בלעדי, בתשלום, בלתי הפיך, לפרסם או לשכפל את הטופס שפורסם של כתב יד זה, או לאפשר לאחרים לעשות זאת, למטרות ממשלת ארצות הברית. מחלקת האנרגיה תספק גישה ציבורית לתוצאות אלה של מחקר בחסות פדרלית בהתאם לתוכנית הגישה הציבורית של DOE (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).

Acknowledgements

מחקר זה מומן בעיקר על ידי תוכנית המחקר והפיתוח המכוונת למעבדה הלאומית אוק רידג' (ORNL), המנוהלת על ידי UT-Battelle LLC, עבור משרד האנרגיה האמריקאי (DOE). חלק מהפיתוח להחדרת אדי מים לתא הגז in situ מומן על ידי משרד ה-DOE האמריקאי, המשרד להתייעלות אנרגטית ואנרגיה מתחדשת, משרד ביו-אנרגיה טכנולוגיות, תחת חוזה DE-AC05-00OR22725 (ORNL) עם UT-Battle, LLC, ובשיתוף עם קונסורציום קטליזה כימית לביו-אנרגיה (ChemCatBio), חבר ברשת חומרי האנרגיה (EMN). עבודה זו נכתבה בחלקה על ידי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת, המופעלת על ידי הברית לאנרגיה בת קיימא, LLC, עבור ארה"ב. DOE תחת חוזה לא. דה-AC36-08GO28308. חלק מהמיקרוסקופיה נערך במרכז למדעי החומרים הננופאזיים (CNMS), שהוא מתקן למשתמש של משרד המדע של DOE. פיתוח מוקדם של יכולות STEM במקום היה בחסות תוכנית חומרי הנעה, משרד טכנולוגיות רכב, DOE בארה"ב.  אנו מודים לד"ר ג'ון דמיאנו, פרוטוצ'יפס בע"מ, על דיונים טכניים שימושיים. המחברים מודים לרוזמרי ווקר ולקאס קלאפ, צוות ההפקה של ORNL, על התמיכה בהפקת הסרט. הדעות המובעות במאמר זה אינן מייצגות בהכרח את השקפות DOE או ממשלת ארה"ב. ממשלת ארה"ב שומרת לעצמה והמוציא לאור, על ידי קבלת המאמר לפרסום, מכיר בכך שממשלת ארה"ב שומרת על רישיון עולמי לא בלעדי, בתשלום, בלתי הפיך, לפרסם או לשכפל את הצורה שפורסמה של עבודה זו, או לאפשר לאחרים לעשות זאת, למטרות ממשלת ארה"ב.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Atmosphere Clarity SoftwareProtochips6.5.14
Atmosphere Large Heating E-chips, 300 x 300 window, no spacerProtochipsEAT-33AA-10microchip device
Atmosphere Small E-chips, 300 x 300 micron window, 5 micron SU-8 spacerProtochipsEAB-33W-10microchip device
JEOL 2200FSJEOLmicroscope
M-bond 610Electron Microscopy Sciences50410-30cyanoacrylate (CA) glue
Mikron M9103 IR cameraMicronThis is used by Protochips/ not available
Protochips “Fusion” E-chipsProtochipsspacer chip with removed SixNy membrane
Protochips Atmosphere 200Protochipsprototypesoftware
Residual Gas Analyzer R100 (RGA)Stanford Research SystemsR100 SRS

References

  1. Allard, L. F., et al. A new MEMS-based system for ultra-high-resolution imaging at elevated temperatures. Microscopy Research and Technique. 72 (3), 208-215 (2009).
  2. Allard, L. F., et al. Novel MEMS-based gas-cell/heating specimen holder provides advanced imaging capabilities for in situ reaction studies. Microscopy and Microanalysis. 18 (4), 656-666 (2012).
  3. Allard, L. F., et al. Innovative closed-cell reactor permits in situ heating and gas reactions with atomic resolution at atmospheric pressure. Microscopy and Microanalysis. 18 (2), 1118-1119 (2012).
  4. Allard, L. F., et al. Controlled in situ gas reaction studies of catalysts at high temperature and pressure with atomic resolution. Microscopy and Microanalysis. 20 (3), 1572-1573 (2014).
  5. Allard, L. F., et al. computer-controlled in situ gas reactions via a mems-based closed-cell system. Microscopy and Microanalysis. 21 (3), 97-98 (2015).
  6. Unocic, K. A., Shin, D., Unocic, R. R., Allard, L. F. NiAl oxidation reaction processes studied in situ using MEMS-based closed-cell gas reaction transmission electron microscopy. Oxidation of Metals. 88 (3-4), 495-508 (2017).
  7. Dai, S., et al. Revealing surface elemental composition and dynamic processes involved in facet-dependent oxidation of Pt3Co nanoparticles via in situ transmission electron microscopy. Nano Letters. 17 (8), 4683-4688 (2017).
  8. Dai, S., Zhang, S., Katz, M. B., Graham, G. W., Pan, X. In Situ observation of Rh-CaTiO3 catalysts during reduction and oxidation treatments by transmission electron microscopy. ACS Catalysis. 7 (3), 1579-1582 (2017).
  9. Burke, M. G., Bertali, G., Prestat, E., Scenini, F., Haigh, S. J. The application of in situ analytical transmission electron microscopy to the study of preferential intergranular oxidation in Alloy 600. Ultramicroscopy. 176, 46 (2017).
  10. Unocic, K. A., et al. Introducing and controlling water vapor in closed-cell in situ electron microscopy gas reactions. Microscopy and Microanalysis. 26 (2), 229-239 (2020).
  11. Vendelbo, S. B., et al. Visualization of oscillatory behaviour of Pt nanoparticles catalysing CO oxidation. Nature Materials. 13 (9), 884-890 (2014).
  12. Moliner, M., et al. Reversible transformation of Pt nanoparticles into single atoms inside high-silica chabazite zeolite. Journal of the American Chemical Society. 138 (48), 15743-15750 (2016).
  13. Dagle, V., et al. Single-step conversion of ethanol to n-butenes over Ag-ZrO2/SiO2 catalysts. ACS Catalyst. 10 (18), 10602-10613 (2020).
  14. Chi, M., et al. Surface faceting and elemental diffusion behaviour at atomic scale for alloy nanoparticles during in situ annealing. Nature Communications. 6 (1), 1-9 (2015).
  15. Zhao, X., et al. Single-iron site catalysts with self-assembled dual-size architecture and hierarchical porosity for proton-exchange membrane fuel cells. Applied Catalysis B: Environmental. 279, 119400 (2020).
  16. Baddour, F. G., et al. An Exceptionally mild and scalable solution-phase synthesis of molybdenum carbide nanoparticles for thermocatalytic CO2 hydrogenation. Journal of the American Chemical Society. 142 (2), 1010-1019 (2019).
  17. Yan, P., et al. Methanol oxidative dehydrogenation and dehydration on carbon nanotubes: active sites and basic reaction kinetics. Sustainable Energy Fuels. 10, 4952-4959 (2020).
  18. Unocic, R. R., Jungjohann, K., Mehdi, B. L., Browning, N. D., Wang, C. In situ electrochemical scanning/transmission electron microscopy of electrode-electrolyte interfaces. MRS Bulletin. 45, 1-8 (2020).
  19. LaGrow, A. P., Lloyd, D. C., Gai, P. L., Boyes, E. D. In situ scanning transmission electron microscopy of Ni nanoparticle redispersion via the reduction of hollow NiO. Chemistry of Materials. 30 (1), 197-203 (2017).
  20. Liu, L., Zakharov, D. N., Arenal, R., Concepcion, P., Stach, E. A., Corma, A. Evolution and stabilization of subnanometric metal species in confined space by in situ TEM. Nature Communications. 9 (1), 574 (2018).
  21. Wu, Y. A., et al. Visualizing redox dynamics of a single Ag/AgCl heterogeneous nanocatalyst at atomic resolution. ACS Nano. 10 (3), 3738-3746 (2016).
  22. Li, Y., et al. Complex structural dynamics of nanocatalysts revealed in operando conditions by correlated imaging and spectroscopy probes. Nature Communications. 6 (1), 7583 (2015).
  23. Hansen, P. L., et al. Atom-resolved imaging of dynamic shape changes in supported copper nanocrystals. Science. 295 (5562), 2053-2055 (2002).
  24. Creemer, J. F., et al. Atomic-scale electron microscopy at ambient pressure. Progress in Materials Science. 108, 993-998 (2008).
  25. Was, G. S., Petti, D., Ukai, S., Zinkle, S. Materials for future nuclear energy systems. Journal of Nuclear Materials. 527, 151837 (2019).
  26. Unocic, K. A., Yamamoto, Y., Pint, B. A. Effect of Al and Cr content on air and steam oxidation of FeCrAl alloys and commercial APMT alloy. Oxidation of Metals. 87 (3-4), 431-441 (2017).
  27. Zinkle, S. J., et al. Fusion materials science and technology research opportunities now and during the ITER era. Fusion Engineering and Design. 89 (7-8), 1579-1585 (2014).
  28. Quadakkers, W. J., Olszewski, T., Piron-Abellan, J., Shemet, V., Singheiser, L. Oxidation of metallic materials in simulated CO2/H2O-rich service environments relevant to an oxyfuel plant. Materials Science Forum. 696, 194-199 (2011).
  29. Gleeson, B. Thermal barrier coatings for aeroengine applications. Journal of Propulsion and Power. 22 (2), 375-383 (2006).
  30. Unocic, K. A., Allard, L. F., Coffey, D. W., More, K. L., Unocic, R. R. Novel method for precision controlled heating of TEM thin sections to study reaction processes. Microscopy and Microanalysis. 20, 1628-1629 (2014).
  31. Idrobo, J. C., et al. Temperature measurement by a nanoscale electron probe using energy gain and loss spectroscopy. Physical Review Letters. 120 (9), 095901 (2018).
  32. Unocic, K. A., Datye, A. K., Bigelow, W. C., Allard, L. F. Water vapor in closed-cell in situ gas reactions: Initial experiments. Microscopy and Microanalysis. 23 (1), 940-941 (2017).
  33. Allard, L. F., Meyer, H. M., Hensley, D. K., Bigelow, W. C., Unocic, K. A. Model "alloy" specimens for MEMS-based closed-cell gas-reactions. Microscopy and Microanalysis. 23 (1), 908-909 (2017).
  34. Allard, L. F., et al. The utility of Xe-plasma FIB for preparing aluminum alloy specimens for MEMS-based in situ double-tilt heating experiments. Microscopy and Microanalysis. 25 (2), 1442-1443 (2019).
  35. Schilling, S., Janssen, A., Zaluzec, N. J., Burke, M. G. Practical aspects of electrochemical corrosion measurements during in situ analytical transmission electron microscopy (TEM) of austenitic stainless steel in aqueous media. Microscopy and Microanalysis. 23 (4), 741-750 (2017).
  36. Zhong, X. L., Schilling, S., Zaluzec, N. J., Burke, M. G. Sample preparation methodologies for in situ liquid and gaseous cell analytical transmission electron microscopy of electropolished specimens. Microscopy and Microanalysis. 22 (6), 1350-1359 (2016).
  37. Duchamp, M., Xu, Q., Dunin-Borkowski, R. E. Convenient preparation of high-quality specimens for annealing experiments in the transmission electron microscope. Microscopy and Microanalysis. 20 (6), 1638-1645 (2014).
  38. Unocic, K. A., Mills, M. J., Daehn, G. S. Effect of gallium focused ion beam milling on preparation of aluminum thin foils. Journal of Microscopy. 240 (3), 227-238 (2010).
  39. Unocic, R. R., et al. Probing battery chemistry with liquid cell electron energy loss spectroscopy. Chemical Communications. 51 (91), 16377-16380 (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

173situCCGRPt TiO2

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved