전송 전자 현미경에서 시투 폐쇄 세포 가스 반응에서 수행

요약

여기서, 우리는 일반적으로 사용되는 몇몇 견본 준비 방법을 상세히 설명하면서 시투 TEM 폐쇄 세포 가스 반응 실험에서 능력을 발휘하기 위한 프로토콜을 제시합니다.

초록

현장에서 연구된 가스 반응은 원자 수준으로 축소되는 길이의 재료의 실시간 형태학적 및 미세화학적 변형을 포착하는 데 사용될 수 있다. 시상 폐쇄 세포 가스 반응 (CCGR) 연구에서 수행 (스캐닝) 전송 전자 현미경 (STEM) 분리 및 다른 특성화 기술을 사용하여 캡처하기가 매우 어려운 국소화 동적 반응을 식별 할 수 있습니다. 이러한 실험을 위해, 우리는 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)기반 가열 마이크로 칩 (이하 "E 칩"이라고 함)을 사용하는 CCGR 홀더를 사용했다. 여기서 설명된 실험 프로토콜은 수차 보정 된 STEM에서 건조하고 습식 가스에서 시투 가스 반응에서 수행되는 방법을 자세히 설명합니다. 이 방법은 대기압에서 구조 재료의 촉매 및 고온 산화와 수증기 유무에 관계없이 다양한 가스가 있는 것과 같은 다양한 재료 시스템에서 관련성을 발견합니다. 여기서, 몇몇 샘플 제제 방법은 다양한 물질 형태 인자를 위해 기술된다. 반응 하는 동안, 수증기가 있는 잔류 가스 분석기(RGA) 시스템으로 얻은 질량 스펙트럼은 반응 중 가스 노출 조건을 더욱 검증한다. 따라서 RGA를 내부 CCGR-STEM 시스템과 통합하면 반응 중에 가스 조성과 반응 중 재료의 동적 표면 진화와 상관 관계를 맺는 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 접근법을이용한현장에서/operando 연구에서는 특정 환경 조건(시간, 온도, 가스, 압력)에서 발생하는 근본적인 반응 메커니즘 및 운동학에 대한 상세한 조사를 실시간으로, 높은 공간 해상도로 확인할 수 있습니다.

서문

반응성 가스 노출 및 높은 온도에서 재료가 구조 및 화학 적 변화를 겪는 방법에 대한 자세한 정보를 얻을 필요가있다. 현장 폐쇄 세포 가스 반응(CCGR) 스캐닝 전송 전자 현미경(STEM)은 높은 온도, 상이한 기체 환경 및 진공에서 전체 대기압^1,2,3,4,5, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, ^{1, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 60, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 1, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 6, 1, 1, 6, 1, 6, 1, 6.} 이 방법은 예를 들어 여러 경우에 도움이 될 수 있습니다. 에탄올의 단일 단계 변환과 같은 다수의 산업 전환 공정에 중요한 차세대 촉매의 가속화 개발에서 n--Ag-ZrO 2/SiO₂^13을초과하는 부테네, 연료전지 응용 분야에서 산소 환원 반응 및 수소 진화 반응을 위한 촉매^14,15,촉매 CO₂ 수소화^16,메탄올 탈수수소투포름알데히드 또는 탈수로의 금속 촉매 또는 다중 벽의 탄소 나노튜브를 저탄 반응에서 사용하는 디메틸 에테르에 대한 반응. 최근 촉매 연구^{1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21, 21,22에} 대한 이러한 시투 기법에 적용하여 촉매 동적 형상 변경^10,11,23,7,성장, 이동성^8,20,24에대한 새로운 통찰력을 제공했다. 또한, CCGR-STEM은 가스 터빈 엔진에서 차세대 핵분열 및 융합 반응기까지 공격적인 환경에 노출된 구조 재료의 고온 산화 거동을 조사하는 데 사용될 수 있으며, 강도, 골절 인성, 용접성 또는 방사선뿐만 아니라 고온 산화 저항^{25,26,27,28, 29.} 구조 합금에 특정, 현장에서 CCGR-STEM 실험은 조건^9을 감소시키는 하에서 확산 유도 된 곡물 경계 이동의 동적 추적을 허용하고 고온^5,6,30에서산화 운동학의 측정을 할 수 있습니다. CCGR 기술의 최근 개발 전에 수십 년 동안, 현장에서 가스 반응 연구는 전용 환경 TEM (E-TEM)를 사용하여 수행되었다. E-TEM 및 CCGR-STEM의 상세한 비교는 이전에^10을해결했습니다. 따라서 E-TEM 기능은 현재 작업에서 더 이상 논의되지 않습니다.

이 작품에서는 컴퓨터 제어 매니폴드(gas delivery system)와 마이크로 전기 기계(MEMS) 기반 실리콘 마이크로칩 장치(예를 들어, 스페이서 칩 및 "E-칩" 히터(재료 표)를 활용하는 특수 설계된 CCGR TEM 홀더를 포함하는 시판 가능한시스템(재료표)이사용되었다. 각 전자 칩은 비정질, 전자 투명 Si_xN_y 멤브레인을 지원합니다. 스페이서 칩은 50nm 두께의 Si_xN_y 멤브레인을 가지고 있으며, 300 x 300 μm² 시야 면적과 5 μm 두께의 에폭시 기반 포토레지스트(SU-8) "스페이서" 접점을 미세 변형하여 가스 흐름 경로를 제공하고 두 쌍의 마이크로칩(그림1A)사이의물리적 오프셋을 유지한다. E-칩의 일부는 낮은 전도도 ~100 nm SiC 세라믹 멤브레인으로 덮여; 멤브레인은 ~30nm 두께의 무정형 Si_xN y 멤브레인(Si_x N_y 보기 영역)(도1A 및 도 2D)에의해 겹쳐진 8 μm 직경 에칭 구멍의 3 x 2 배열을 가지고 있으며, 이를 통해 이미지가 기록된다. E-칩은 시편 지지대와 히터^6의이중 역할을 모두 한다. Au 접점은 SiC 멤브레인의 저항 가열을 허용하기 위해 E 칩에 미세 제작됩니다. 각 E-칩은 적외선(IR) 이미징방법(재료표)^2를 사용하여 보정되며 ±5%^31%이내에 정확하다는 것으로 나타났다. 온도 보정은 가스 조성 및 압력과 무관하므로 선택한 가스 조건하에서 반응 온도를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 박막 히터의 장점은 최대 1,000 °C의 온도가 밀리초 이내에 도달 할 수 있다는 것입니다. 반응을 수행하기 위해, E-칩은 스페이서 칩의 상단에 배치되어 TEM 컬럼의 높은 진공으로부터 시편 주변의 환경을 격리하는 폐쇄 셀 "샌드위치"를 생성합니다. 이 설정의 장점은 단일 또는 혼합 가스와 정적 또는 유량 조건하에서 저압에서 대기압 (760 Torr)까지 의 반응을 수행 할 수 있다는 것입니다. MEMS 장치는 수차 보정 S/TEM 계측기(도 1C)에서 객관적인 렌즈 극조각의mm 크기의 갭 내에 홀더를 삽입할 수 있는 클램프(도1B)로고정된다. 현대의 S/TEM 홀더에는 외부 스테인리스 스틸 튜브에 연결된 통합 마이크로 유체 튜브(모세혈관)가 포함되며, 이는 가스 전달 시스템(매니폴드)에 연결됩니다. 전자 제어 시스템은 가스 전지를 통해 반응가스의 제어된 전달 및 흐름을 허용합니다. 가스 흐름 및 온도는제조업체(재료 표)^10,32에서제공하는 맞춤형 워크플로 기반 소프트웨어 패키지에 의해 작동됩니다. 이 소프트웨어는 실험 중에 세포에서 돌아오는 가스 흐름에 대한 3개의 가스 입력 라인, 2개의 내부 실험 가스 전달 탱크 및 수신 탱크를 제어합니다(그림1D).

재료의 가변성과 폼 팩터로 인해 먼저 E 칩의 여러 표본 증착 방법에 초점을 맞춘 다음 제어 된 온도, 가스 혼합 및 흐름을 가진 시투 / operando 실험에서 정량적 수행을위한 프로토콜을 설명합니다.

프로토콜

1. 전자 칩 준비

1. 콜로이드 용액(도2A)으로부터드롭 캐스팅에 의한 직접 분말 증착.
   1. 분말 입자 응집체가 너무 크면 분말을 분쇄하십시오. 작은 박격포와 유봉을 사용하여 이 작업을 수행하십시오 (분쇄 된 골재는 크기<5 μm여야합니다). 소량(예를 들어, ~0.005 mg, 경험에 의해 결정된 양)을 용매의 2mL(예를 들어, 이소프로판올 또는 에탄올)에 분말을 혼합한다.
   2. 콜로이드 서스펜션을 만들기 위해 혼합물을 약 5분 동안 초음파 처리합니다.
   3. E-칩 고정 설비에 E 칩을 놓습니다. 0.5-2.5 μL 마이크로 파이펫을 이용하여 서스펜션의 약 1 μL을 E 칩에 직접 떨어뜨립니다.
   4. 오 접점을 청소하여 스테레오 현미경을 통해 보는 동안 흡수성 용지 점으로 서스펜션을 제거합니다.
2. 마스크를 통한 직접 분말증착(도 2B).
   1. 분말 (예를 들어, Pt/TiO₂₎건조, 분말 입자가 너무 큰 경우 (1.1.1에서와 같이)를 분쇄하십시오.
   2. E-칩 고정설비(그림 3D)에새로운 클린 E 칩을 배치합니다. Si_xN_y 멤브레인제거(핀셋 또는 압축 가스로 파손하여) 제거된 또 다른 E칩인 마스크를 사용하여 설비 내의 E 칩에 직접 배치합니다.
   3. 상단 플레이트를 사용하여 새로운 깨끗한 E 칩과 마스크를 고정합니다.
   4. 마스크의 실리콘 나틀막에 직접 주걱을 사용하여 소량의 분말을 증착한다.
   5. 설비를 부드럽게 진동하여 입자를 E 칩으로 흔들어 줍니다. 이 작업은 작동 중이거나 초음파 장치를 사용하여 장치를 장치 상단에 고정하고 장치를 건조 비커에 배치하여 진공 트위저 유닛을 사용하여 수행 할 수 있습니다.
   6. 과도한 분말을 흔들어 시스템을 분해하고 스테레오 현미경을 사용하여 E 칩에 건조 분말의 배치를 검사합니다.
3. 전자 빔 증발, 이온 또는 자판기 스퍼터링에 의한 증착 방법.
   참고: 이 방법은 알려진 형상 및 컴포지션의 단일 요소 시스템 또는 모델 합금 시편을 만드는 데 사용됩니다.
   1. 패턴 마스크만들기(그림 3).
      참고: 시간이 걸리기 때문에 패턴 마스크를 미리 준비합니다.
   2. 제거 된 Si_xN_y 멤브레인이있는 스페이서 칩을 사용합니다. 이 실험에서는, 액체 세포 실험에 일반적으로 사용되는 E 칩은 50 x 250 μm 개구부를 초래한 Si_xN_y 멤브레인을 부드럽게 분해한 후에 사용되었습니다. 제거 된 Si_xN_y 멤브레인이 스페이서 칩은 다른 칩과 결합될 것이며 구멍배열 (예 : 실리콘 질화물 (SiN) 미세 다공성 TEM 창 ^33)을갖는 다.
   3. 시아노아크레이트(CA)접착제(재료표)를사용하여 제조업체의 권고에 따라 50 x 250 μm 개구부(도3B,C)에대해 SiN 미세다공성 TEM 창면을 아래로 부착한다(스페이서 칩에서 멀리 떨어진 SiN 패턴 필름)을 부착한다.
   4. 계획된 실험에 따라 필요에 따라 많은 패턴 마스크를 준비하는 절차를 반복합니다.
   5. E 칩 설비에 새로운 클린 E 칩을 놓습니다(그림3D).
   6. 패턴 마스크를 E-칩(도3C,D)에놓습니다.
   7. 상단 플레이트로 덮고 고정하십시오(그림3D).
   8. 전자 빔 증발, 이온 스퍼터링 또는 자작스퍼터링 증착 기술을 사용합니다. 이들은 패턴 마스크를 통해 직접 관심있는 재료를 스퍼터하는 데 사용되는 권장 방법입니다.
      참고: 고순도 물질^{침전물(33)에}대한 증착 전에 잔류 산소를 제거하기 위해 증착 시스템을 제거하는 것이 중요할 수 있다.
   9. 시스템을 분해하고 스테레오 현미경으로 E 칩을 검사하여 E-chip의 Si_xN_y 멤브레인에 증착된 물질을 잘 준수합니다.
4. 집중 이온 빔 (FIB) 밀링(그림 2C).
   1. FIB를 사용하여 표준 TEM 라멜라를 준비합니다. 최종 밀링 스텝에 낮은 kV(예: 2-5 kV)를 사용하여 고전압(30-40 kV)에서 FIB 밀링으로 인한 손상을 제거하십시오.
   2. 표준 FIB 절차를 사용하여 TEM 라멜라를 E 칩에 배치합니다. FIB가 준비한 TEM 라멜라를 E 칩에 부착할 때 Si_xN_y 멤브레인을 손상시키지 마십시오. 알라드 외³⁴ 및 기타 간행물^30,35,36은 라멜라 준비를 위한 Xe-PFIB 및 Ga-FIB 계측기의 다양한 방법에 대해 자세히 알아본다.

2. 대기 준비 (CCGR-TEM) 홀더

1. 원하는 교정 파일을 다운로드합니다.
2. CCGR 제조업체에서 제공하는 특정 E-칩 교정에 대한 저항 범위 내에 있는지 확인하기 위해 SiC 히터의 저항을 측정합니다.
3. CCGR-TEM 홀더에서 클램프를 제거합니다.
4. 흡수성 용지 점 및/또는 압축 공기를 사용하여 CCGR-TEM 홀더의 끝을 청소하여 O 링 홈에 잔해가 남아 있지 않도록 합니다. 그런 다음 팁 내에 특수 이중 개스킷 씰을 배치합니다.
5. 스페이서 칩을 CCGR-TEM 홀더에 넣습니다.
6. 히터 접점을 스페이서 칩에 아래로 접촉하여 제1항에 언급된 방법 중 하나에 의해 제조된 시편을 함유한 E-칩을 장착하여 홀더 내플렉스 케이블의 전기 접촉에 적절히 연결한다.
7. 핀셋을 사용하여 E-칩 상단에 홀더 클램프 플레이트를 배치하고 CCGR-TEM 홀더 의 끝에 지정된 위치에 나사를 놓은 다음 최종 토크로 0.2 lb-ft로 세트 나사를 토크합니다.
8. CCGR-TEM 홀더를 조립한 후 SiC 히터의 저항을 다시 측정하여 CCGR 제조업체가 제공하는 특정 E-칩 교정에 대한 저항 범위 내에 있는지 확인합니다.
   참고: 여기에 홀더의 전기 연결에 직접 연결되는 특수 어댑터가 사용됩니다. 이를 통해 CCGR-TEM 홀더와 페어링된 마이크로칩 장치 어셈블리를 통해 저항 측정을 수행할 수 있으며 홀더에 완전히 조립할 수 있습니다.

3. 실험 설정 준비

1. 가스 제어 소프트웨어의 베이크 버튼을 눌러 연결된 홀더의 유무에 관계없이 시스템(매니폴드, 홀더, 가스 탱크 및 RGA 챔버)을 하룻밤 동안 굽고 펌핑합니다.
2. 홀더를 스캐닝 투과 전자 현미경에 적재하고 매니폴드에서 CCGR-TEM 홀더에 가스 튜브를 연결합니다.
3. 실험을 위해, 100 Torr에서 0.5 Torr로 불활성 가스(예: Ar 또는 N_2)로시스템을 펌프 및 제거합니다.
4. 최종 펌프를 수행하고 100 토르에서 0.001 토르로 제거합니다. 이렇게 하면 가스 매니폴드에서 홀더에 이르는 전체 가스 전달 시스템을 세척하고 불활성 가스로 세척할 수 있습니다.
5. 잔류 가스 분석기 - 펌프 및 퍼지 시술 중에 RGA 시스템을 켜서 필라멘트를 따뜻하게 합니다.

4. 수증기 전달 시스템 준비(VDS)

참고: 이러한 지침은 증기 형태로 가스의 제어 된 전달을 포함하는 특정 실험 (예 : 수증기)에 대한 것입니다. 가스 전달 제어는제조업체(재료표)에서제공하는 가스 제어 소프트웨어를 통해 제공됩니다.

1. 퍼지 가스(예: N_2)를VDS에 부착하고 레버 노브를 배기로돌린 다음 공원 위치로 돌립니다.
2. 불활성 가스를 세 번 또는 더 이상 액체가 없을 때까지 VDS(반복 4.1)를 제거합니다.
3. 레버 노브를 공원 위치로 돌리고 VDS를 매니폴드에 부착합니다.
4. 레버 노브를 채우기 위치로 돌리고 퍼지 가스 라인을 제거합니다.
5. 가스 제어 소프트웨어에서 증기 압력을 18.7 Torr로 설정합니다.
6. 소프트웨어에서 입력 라인을 선택하고 펌프 버튼을 눌러 VDS를 진공(0.1 Torr)으로 펌핑합니다.
7. 주사기와 튜브를 통해 VDS를 물(2mL)으로 채웁니다.
   참고: 순도가 높은 증기가 필요한 경우 추가 제거 단계가 필요할 수 있습니다.

5. 반응 실행

1. 실험에 사용할 모든 가스(예:_N2,수증기 및 O_2)가매니폴드에 연결되어 있는지 확인합니다.
2. 명명아래의 가스 제어 소프트웨어를 사용하면 반응에 필요한 가스에 대한 이름을 설정하고 실험에 대해 실행 중인 로그 파일이 생성되는 원시 ".csv" 파일을 저장합니다.
3. E-칩 설정에서사용되는 E-칩에 대해 관련 교정 파일(즉, 2.5에 설명된 대로)을 선택하고 교정을 실행한다. 소개 섹션에서 언급한 바와 같이, 각 E칩은 제조업체로부터 적외선(IR) 이미징을 사용하여 온도 보정됩니다.
4. 펌프 및 퍼지에서 실험 설정 준비를참조하십시오.
5. 가스 제어하에서실험에 대해 원하는 가스 이름과 그 구성(예: 각 가스의 백분율 선택)을 선택합니다.
6. 온도하에서 실험에 대한 관심 온도에 대해 원하는 가열 속도와 목표 온도를 선택하고 시작 버튼을 누릅니다.
7. 가스 제어 섹션 아래의 시작 버튼을 눌러 가스 흐름을 시작합니다.

6. 실험 종료

1. 반응이 완료되면 가스 의 흐름을 멈추고 온도 노브를 끄고 펌프 및 퍼지 절차를 사용하여 세션을 종료합니다 (예 : 수행 된 반응에 따라 펌프 및 퍼지 절차를 수행 100 Torr에서 0.1 Torr 2-3 배).
2. 전자 현미경에서 시트 CCGR-TEM 홀더를 제거하기 전에 홀더 압력이 대기압으로 다시 상승되도록하십시오.

결과

MEMS 기반 폐쇄 세포 가스 반응에 대한 표본:
콜로이드 용액에서 및 마스크를 통해 드롭 주조에 의한 직접 분말 증착
연구할 물질에 따라, 시투/오페라 CCGR-STEM 실험에서 E-칩을 준비하는 여러 가지 방법이 있다. 촉매 연구를 위한 가스 세포를 제조하려면 일반적으로 콜로이드 액체 현탁액(도2A)에서또는 건조 분말 자체로부터 직접 E 칩에 촉?...

토론

본 작업에서, 수증기의 유무에 관계없이 시투 STEM 반응에서 수행되는 접근법이 입증된다. 프로토콜 내에서 중요한 단계는 E-칩 을 준비하고 로딩 절차 중에 무결성을 유지하는 것입니다. 기술의 한계는 (a) 표본 크기 및 그 형상이 짝을 이루는 (MEMS)-기반 실리콘 마이크로칩 장치 사이의 명목 5-μm 갭뿐만 아니라 (b) 수증기를 사용한 실험에 사용되는 총 압력은 수증기^6의양에 ...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Atmosphere Clarity Software	Protochips	6.5.14
Atmosphere Large Heating E-chips, 300 x 300 window, no spacer	Protochips	EAT-33AA-10	microchip device
Atmosphere Small E-chips, 300 x 300 micron window, 5 micron SU-8 spacer	Protochips	EAB-33W-10	microchip device
JEOL 2200FS	JEOL		microscope
M-bond 610	Electron Microscopy Sciences	50410-30	cyanoacrylate (CA) glue
Mikron M9103 IR camera	Micron		This is used by Protochips/ not available
Protochips “Fusion” E-chips	Protochips		spacer chip with removed SixNy membrane
Protochips Atmosphere 200	Protochips	prototype	software
Residual Gas Analyzer R100 (RGA)	Stanford Research Systems	R100 SRS