Name: performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope
Uploaded: 2021-07-24T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope at JoVE.com

Denne forskningen ble først og fremst sponset av Laboratory Directed Research and Development Program of Oak Ridge National Laboratory (ORNL), administrert av UT-Battelle LLC, for U.S. Department of Energy (DOE). En del av utviklingen for å introdusere vanndamp i in situ-gasscellen ble sponset av U.S. DOE, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Bio-Energy Technologies Office, under kontrakt DE-AC05-00OR22725 (ORNL) med UT-Battle, LLC, og i samarbeid med Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio) Consortium, et medlem av Energy Materials Network (EMN). Dette arbeidet ble delvis forfattet av National Renewable Energy Laboratory, drevet av Alliance for Sustainable Energy, LLC, for U.S. DOE under Contract No. DE-AC36-08GO28308. En del av mikroskopien ble utført ved Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), som er et DOE Office of Science User Facility. Tidlig utvikling av in situ STEM-funksjoner ble sponset av Propulsion Materials Program, Vehicle Technologies Office, U.S. DOE.  Vi takker Dr. John Damiano, Protochips Inc., for nyttige tekniske diskusjoner. Forfatterne takker Rosemary Walker og Kase Clapp, ORNL produksjonsteam, for støtte til filmproduksjon. Synspunktene uttrykt i denne artikkelen representerer ikke nødvendigvis synspunktene til DOE eller den amerikanske regjeringen. Den amerikanske regjeringen beholder og utgiveren, ved å godta artikkelen for publisering, erkjenner at den amerikanske regjeringen beholder en ikke-eksklusiv, betalt, ugjenkallelig, verdensomspennende lisens til å publisere eller reprodusere den publiserte formen for dette arbeidet, eller la andre gjøre det, for amerikanske regjeringsformål.

1. Forberedelse av e-chip
<ol><li>Direkte pulveravsetning ved dråpestøping fra en kolloidal oppløsning (Figur 2A).<ol>
<li>Knus pulveret hvis pulverpartikkelaggregatene er for store. Gjør dette ved hjelp av en liten mørtel og pestle (knuste aggregater skal være <5 μm i størrelse). Bland en liten mengde (f.eks. ~0,005 mg, mengde bestemt av erfaring) av pulver i 2 ml av løsningsmidlet (f.eks. isopropanol eller etanol).</li>
		<li>Soniker blandingen i rundt 5 min for å lage en kollo...

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

I det nåværende arbeidet demonstreres en tilnærming for å utføre in situ STEM-reaksjoner med og uten vanndamp. Det kritiske trinnet i protokollen er forberedelse av E-chip og opprettholdelse av integriteten under lasteprosedyren. Begrensningen av teknikken er (a) prøvestørrelsen og dens geometri for å passe til det nominelle 5-μm gapet mellom parrede (MEMS) baserte silisiummikrochipenheter samt (b) et totalt trykk som brukes i forsøkene med vanndamp siden det høyeste totale trykket avhenger av mengden...

Det er behov for å innhente detaljert informasjon om hvordan et materiale gjennomgår strukturelle og kjemiske endringer under reaktiv gasseksponering og ved forhøyede temperaturer. In situ closed-cell gas reaction (CCGR) skanning transmission electron microscopy (STEM) ble utviklet spesielt for å studere de dynamiske endringene som forekommer i et bredt spekter av materialsystemer (f.eks. katalysatorer, strukturelle materialer, karbonnanorør, etc.) når de utsettes for forhøyede temperaturer, forskjellige gassformige miljøer og trykk fra vakuum til fullt atmosfærisk trykk1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Denne tilnærmingen kan være gunstig i flere tilfeller, for eksempel i den akselererte utviklingen av neste generasjons katalysatorer som er viktige for en rekke industrielle konverteringsprosesser, for eksempel enkelttrinnskonvertering av etanol til n-men over Ag-ZrO2/ SiO213, katalysatorer for oksygenreduksjonsreaksjon og hydrogenutviklingsreaksjon i brenselcelleapplikasjoner14,15, katalytisk CO2 hydrogenering16, metanol dehydrogenering til formaldehyd eller dehydrering til dimetyl eter som bruker enten metallkatalysatorer eller flerveggede karbonnanorør i en metanolkonverteringsreaksjon i nærvær avoksygen. Nylige anvendelser av denne in situ-teknikken for katalyseforskning1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 har gitt ny innsikt i dynamiske katalysatorformer10,11,23, med forsiden7, vekst og mobilitet8,20,24. Videre kan in situ CCGR-STEM brukes til å undersøke høytemperaturoksidasjonsadferden til strukturelle materialer som er utsatt for aggressive miljøer, fra gassturbinmotorer til neste generasjons fisjons- og fusjonsreaktorer, hvor ikke bare styrke, bruddseighet, sveisbarhet eller stråling er viktig, men også høytemperatur oksidasjonsmotstand25,26,27,28,29. In situ CCGR-STEM-eksperimenter er spesifikke for strukturelle legeringer, og muliggjør dynamisk sporing av diffusjonsindusert korngrensemigrering under reduserte forhold 9 ogmålinger av oksidasjonskinetikk ved høy temperatur5,6,30. I flere tiår før den nylige utviklingen av CCGR-teknologier ble in situ gassreaksjonsstudier utført ved hjelp av dedikerte miljø-TEMer (E-TEMer). En detaljert sammenligning av E-TEM og CCGR-STEM har tidligere blitt adressert10; E-TEM-funksjoner diskuteres derfor ikke nærmere i dette arbeidet.
I dette arbeidet ble det brukt et kommersielt tilgjengelig system (Materialliste) som består av en datastyrt manifold (gassleveringssystem) og en spesialdesignet CCGR TEM-holder som benytter et par mikroelektromekaniske (MEMS)-baserte silisiummikrochipenheter (f.eks. avstandsstykke og "E-chip" varmeapparat(materialbord)). Hver E-chip støtter en amorf, elektron-gjennomsiktig SixNy-membran. Avstandsbrikken har en 50 nm tykk SixNy-membran med en 300 x 300 μm2 visningsområde og 5 μm tykk epoksybasert fotoresist (SU-8) "spacer"-kontakter som er mikrofabricated for å gi en gassstrømbane og opprettholde en fysisk forskyvning mellom de to parrede mikrobrikkene (Figur 1A). En del av E-brikken er dekket med lav ledningsevne ~ 100 nm SiC keramisk membran; membranen har en 3 x 2 matrise med 8 μm-diameter etsede hull overlappet av en ~ 30 nm tykk amorf SixNy membran (SixNy visningsområde) (Figur 1A og Figur 2D), gjennom hvilke bilder er registrert. E-brikken har en dobbel rolle som både prøvestøtte og varmeapparat6. Au kontakter er mikrofabricated på E-chip for å tillate resistiv oppvarming av SiC membranen. Hver E-chip kalibreres ved hjelp av infrarød stråling (IR) avbildningsmetoder (Tabell over materialer)2 og har vist seg å være nøyaktig innenfor ±5%31. Temperaturkalibrering er uavhengig av gasssammensetning og trykk, og gir dermed uavhengig kontroll over reaksjonstemperaturer under eventuelle valgte gassforhold. Fordelen med en tynnfilmvarmer er at temperaturer opp til 1000 °C kan nås innen millisekunder. For å utføre reaksjonen plasseres E-brikken på toppen av avstandsbrikken, og skaper den lukkede celle "sandwich" som isolerer miljøet rundt prøven fra det høye vakuumet i TEM-kolonnen. Fordelen med dette oppsettet er at reaksjoner kan utføres fra lavt trykk opp til atmosfærisk trykk (760 Torr) med enkle eller blandede gasser og under statiske eller strømningsforhold. MEMS-enhetene er festet med en klemme (figur 1B) som gjør at holderen kan settes inn i mm-størrelsesgapet på det objektive linsestangstykket i et avvikskorrigert S/TEM-instrument (Materialbord) (Figur 1C). Moderne in situ S/TEM-holdere inkluderer integrert mikrofluidic tubing (kapillærer) som er koblet til den eksterne rustfrie stålslangen, som igjen er koblet til gassleveringssystemet (manifold). Et elektronisk kontrollsystem tillater kontrollert levering og strømning av reaktantgass gjennom gasscellen. Gassstrøm og temperatur drives av en tilpasset arbeidsflytbasert programvarepakke levert av produsenten (Tabell over materialer)10,32. Programvaren kontrollerer tre gassinngangslinjer, to interne eksperimentelle gassleveringstanker og en mottakstank for gassstrøm som kommer tilbake fra cellen under eksperimentet (Figur 1D).
På grunn av variasjonen av materialer og deres formfaktor, fokuserer vi først på flere prøveavsetningsmetoder på E-brikken, og skisserer deretter protokoller for å utføre kvantitative in situ / operando-eksperimenter med kontrollert temperatur, gassblanding og strømning.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Atmosphere Clarity Software</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>6.5.14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atmosphere Large Heating E-chips, 300 x 300 window, no spacer</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>EAT-33AA-10</td>
			<td>microchip device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atmosphere Small E-chips, 300 x 300 micron window, 5 micron SU-8 spacer</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>EAB-33W-10</td>
			<td>microchip device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JEOL 2200FS</td>
			<td>JEOL</td>
			<td></td>
			<td>microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M-bond 610</td>
			<td>Electron Microscopy Sciences</td>
			<td>50410-30</td>
			<td>cyanoacrylate (CA) glue</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mikron M9103 IR camera</td>
			<td>Micron</td>
			<td></td>
			<td>This is used by Protochips/ not available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protochips &#8220;Fusion&#8221; E-chips</td>
			<td>Protochips</td>
			<td></td>
			<td>spacer chip with removed SixNy membrane</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Protochips Atmosphere 200</td>
			<td>Protochips</td>
			<td>prototype</td>
			<td>software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Residual Gas Analyzer R100 (RGA)</td>
			<td>Stanford Research Systems</td>
			<td>R100 SRS</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope

Gassreaksjoner studert ved in situ elektronmikroskopi kan brukes til å fange sanntids morfologiske og mikrokjemiske transformasjoner av materialer i lengdeskalaer ned til atomnivå. In situ closed-cell gas reaction (CCGR)-studier utført ved hjelp av (skanning) overføringselektronmikroskopi (STEM) kan skille og identifisere lokaliserte dynamiske reaksjoner, som er ekstremt utfordrende å fange opp ved hjelp av andre karakteriseringsteknikker. For disse eksperimentene brukte vi en CCGR-holder som benytter mikroelektromekaniske systemer (MEMS)-baserte varmemikrochips (heretter kalt "E-chips"). Den eksperimentelle protokollen som er beskrevet her beskriver metoden for å utføre in situ gassreaksjoner i tørre og våte gasser i en avvikskorrigert stamme. Denne metoden finner relevans i mange forskjellige materialsystemer, for eksempel katalyse og høytemperaturoksidasjon av strukturelle materialer ved atmosfærisk trykk og i nærvær av ulike gasser med eller uten vanndamp. Her er flere prøveforberedelsesmetoder beskrevet for ulike materielle formfaktorer. Under reaksjonen validerer massespektra oppnådd med et RGA-system (residual gas analyzer) med og uten vanndamp ytterligere gasseksponeringsforhold under reaksjoner. Integrering av en RGA med et in situ CCGR-STEM-system kan derfor gi kritisk innsikt for å korrelere gasssammensetning med den dynamiske overflateutviklingen av materialer under reaksjoner. In situ/operando-studier ved hjelp av denne tilnærmingen tillater detaljert undersøkelse av de grunnleggende reaksjonsmekanismene og kinetikken som oppstår ved spesifikke miljøforhold (tid, temperatur, gass, trykk), i sanntid og med høy romlig oppløsning.

Prøver for MEMS-baserte gassreaksjoner med lukket celle: Direkte pulveravsetning ved dråpestøping fra en kolloidal løsning og gjennom en maske Avhengig av materialet som skal studeres, er det en rekke forskjellige måter å forberede E-brikker for in situ / operando CCGR-STEM-eksperimenter. Klargjøring av gasscellen for katalysestudier krever vanligvis spredning av katalysator nanopartikler på E-brikken enten fra en kolloidal væskeoppheng (Figur...

Watch this Scientific Journal Video about Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope at JoVE.com

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Her presenterer vi en protokoll for å utføre in situ TEM lukket celle gassreaksjonseksperimenter mens vi beskriver flere ofte brukte prøveprepareringsmetoder.

Utføre in situ lukket celle gassreaksjoner i transmisjonselektronmikroskopet

Gas reactions studied by in situ electron microscopy can be used to capture the real-time morphological and microchemical transformations of materials at ...

Frem til nylig analyserte vi materialer før og etter visse tester. Det er imidlertid behov for å få detaljert informasjon om hvordan materialet gjennomgår strukturelle og kjemiske endringer under aggressive miljøer ved forhøyede temperaturer. in situ lukket celle gassreaksjon, CCGR, skanning overføring elektromikroskopi ble utviklet spesielt for dette.Å studere de dynamiske endringene i sanntid ved forhøyede temperaturer i et gassmiljø, opp til fullt atmosfærisk trykk i et bredt spekter av materialsystem, for eksempel katalysatorer, strukturelle materialer, karbonnanorør og så videre. Videre kan reaksjonene studeres på forskjellige lengdeskalaer, alt fra mikroner ned til atomskalanivå. Dette er veldig viktig, fordi vi ved lavere forstørrelser kan lære mye om generell systematferd og trekke ut kinetisk informasjon.Mens vi er på atomskalanivå, kan vi lære om reaksjonsmekanismer og kinetikk som oppstår på overflaten, samt grensesnittene som er stedsspesifikke. Dette er virkelig bemerkelsesverdig, for å oppnå atomoppløsningsbilder ved atmosfærisk trykk, og det kan egentlig ikke gjøres av noen eksperimentelle teknikker. Denne protokollen fremhever hvordan man utfører in situ lukket celle gassreaksjon ved hjelp av in situ elektromikroskopi.Den fremhever også prøvepreparering og dens utfordringer for forskjellige materialer. Direkte pulveravsetning ved dråpestøping fra en kolloidal løsning. Knus pulveret hvis pulverpartiklene er for store.Bland en liten mengde pulver og to milliliter løsningsmiddel. Mengden bestemmes av eksperimenter. Soniker løsning i fem minutter for å skape en kolloidal suspensjon.Plasser E-brikken på E-chip-festearmaturen. Slipp suspensjonen med en mikropipette direkte på E-brikken. Rengjør gullkontakten med et absorberende papirpunkt mens du ser på et stereomikroskop.Direkte pulveravsetning gjennom en maske. Plasser en ny ren E-chip på E-chip-festearmaturen. Bruk og masker og plasser den direkte på E-brikken i armaturen.Bruk topplaten til å klemme en ny ren E-chip og en maske sammen i armaturen. Deponer en liten mengde pulver ved hjelp av en slikkepott direkte på silisiumnitrittmembranen til den nye rene E-brikken gjennom masken. Vibrer forsiktig armaturen for å riste partiklene ned til E-brikken.Dette kan gjøres ved sonikeringsenhet og plassering av armaturen i det tørre begeret. Rist av overflødig pulver, dissemble systemet og inspiser plasseringen av pulver på E-brikken. Avsetningsmetoder ved enten elektronstrålefordampning, ion eller magnetron sputtering.Lag en mønstermaske ved hjelp av en avstandsstykke med silisiumnitrittmembran og silisiumnitmid mikroporøs TEM-vindu. Bruk cyanoakryolatlim til å feste til silisiumnitrittmikropoøst TEM-vindu med forsiden ned over åpningen på 50 x 250 mikron, etter produsentens anbefaling. Gjenta deretter prosedyren for å forberede så mange mønstermasker som nødvendig for E-brikkene.Plasser en ny ren E-chip på E-chip-armaturen. Plasser mønstermasken på E-brikken. Dekk til topplaten og klem den fast.Bruk enten elektronstrålefordampning, ionsprut eller magnetron sputtering avsetningsteknikk. Dissemble systemet og inspiser E-brikken med avsatt materiale. Fokusert ionstråle eller FIB fresing.Forbered en TEM lamell ved hjelp av FIB. Plasser TEM lamellen på E-brikken. Pass på at ved å feste prøven til E-brikken, skader du ikke silisiumnitrittmembranen.Klargjøring av CCGR-TEM-holderen. Last ned ønsket kalibreringsfil. Kontroller motstanden til E-brikken.Mål motstanden til silisiumkarbidvarmeren for å sikre at den er innenfor motstandsområdet for den aktuelle E-chipkalibreringen som leveres av CCGR-produsenten. Fjern klemmen fra toppen av holderen. Rengjør spissen på CCGR-TEM-holderen ved hjelp av absorberende papirpunkter eller trykkluft, og pass på at det ikke er rester igjen på O-ringlundene.Plasser avstandsstykken i CCGR-TEM-holderen. Plasser E-brikken, med varmerens kontakter som gjør det riktig å koble til de elektriske kontaktene med flexkabelen på holderen. Drei deretter settskruene.Mål igjen motstanden til silisiumkarbidvarmeren etter montering av CCGR-TEM-holderen for å sikre at den er innenfor motstandsområdet for den aktuelle E-chipkalibreringen som leveres av CCGR-produsenten. Forberedelse av eksperimentelt oppsett. Stek og pump ned systemet over natten, enten med eller uten at holderen er tilkoblet.Legg i holderen og koble til slangen. For eksperimentet, pump og tøm systemet med inertgassen. For eksempel to ganger fra 100 Torr til 0,5 Torr.Forform en endelig pumpe og tøm fra 100 Torr til 0,001 Torr. Gjenværende gassanalysator. Under pumpe- og renseprosedyren slår du på RGA-systemet for å varme opp filamentet.Integrering av en RGA med et in situ lukket cellegassreaktorsystem på en stamme, gir de kritiske målingene for å korrelere gasssammensetning med dynamisk overflateutvikling av materialer under reaksjoner. Kontinuerlig gassovervåking er avgjørende for å utføre reaksjoner på katalysatorer og strukturelle materialer med blandede gasser eller mens vekslende gasser og trykk, og spesielt når vanndamp er innlemmet i gassblandingen. Fest rensegassen til VDS og vri spaken til eksosrøret, og vri deretter til parkposisjonen.Trykk VDS ved å strømme inert gass tre ganger, eller til det ikke er mer væske til stede. Vri knotten til parkstilling og fest VDS til manifolden. Drei knotten for å fylle posisjonen, og fjern deretter rensegassledningen.Sett damptrykket til 18,7 Torr i gasskontrollprogramvaren. Pump VDS for å støvsuge, som er 0,1 Torr. Fyll VDS med vann, som er 2 millimeter via sprøyte og rør.Vær oppmerksom på at hvis det er behov for høyere renhetsdamp, er det nødvendig med ytterligere rensetrinn. Kjører reaksjonen. Pass på at alle gassene er koblet til manifolden.Bruk atmosfæreprogramvaren under navngivning, sett de riktige gassene for reaksjonen og lagre radfilen. Under Oppsett av E-chip velger du riktig kalibreringsfil for E-brikken og kjører kalibrering. Under pumpe og rensing, se utarbeidelse av eksperimentelt oppsett.Velg gasssammensetningen under Gasskontroll. Velg oppvarmingshastighet og måltemperatur under temperatur. Start eksperimentet.Begynn å strømme gass. Begynn å forestille deg. Registrer gasssammensetning.Representative resultater. Eksempel på in situ CCGR-STEM-resultatene. Bright field STEM-bilder viser et eksempel på denne overflateutviklingen av en platina nanopartikkel på en titanstøtte når de utsettes for vanndamp.Strukturelle endringer i platinapartikkelen viser omorganisering av struktur knyttet til mindre formendringer under overvåking av gasssammensetning. Avslutt eksperimentet. Slå av temperaturen.Slutt å strømme gass. Avslutt økt. sammendrag. CCGR-STEM, for eksempel, er gunstig for akselerert utvikling av neste generasjon katalysatorer med høy holdbarhet, som er viktige for en rekke katalytiske konverteringsprosesser, for eksempel en katalytisk rask pyrolyse enkelttrinnskonvertering av etanol til N-butan og videre til jetbrensel eller CO2 hydrogenering og så videre.Videre ccgr-stem kan brukes til å undersøke høy temperatur oksidasjon oppførsel av strukturelle materialer i aggressive miljøer, for å etterligne materialers oppførsel lignende, for eksempel til gassturbin motor miljøer eller til neste generasjon fisjon eller fusjon reaktorer.

Research

JoVE Journal

Engineering

Performing In Situ Closed-Cell Gas Reactions in the Transmission Electron Microscope

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

Avslører dynamiske prosesser av materialer i væsker med flytende Cell transmisjonselektronmikroskopi

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Tidsavhengig Dielektrisk Sammenbrudd i transmisjonselektronmikroskop: En Mulighet til å forstå feilmekanisme i Mikro Devices

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Omfattende Karakterisering av Extended Defekter i halvledermaterialer av en scanning elektronmikroskop

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studerer dynamiske prosesser av Nano store objekter i flytende ved hjelp av skanning transmisjonselektronmikroskopi

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Karakterisering av Ultra-finkornet og nanocrystalline materialer Bruke Sende Kikuchi Diffraksjon

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

A Method for Obtaining Serial Ultrathin Sections of Microorganisms in Transmission Electron Microscopy

En metode for å få føljetong Ultrathin deler av mikroorganismer i overføring elektronmikroskop

Observing cells and cell components in three dimensions at high magnification in transmission electron microscopy requires preparing serial ultrathin ...

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Methods of Ex Situ and In Situ Investigations of Structural Transformations: The Case of Crystallization of Metallic Glasses

Ex-Situ og In Situ undersøkelser av strukturelle transformasjoner: tilfelle av krystallisering av metallisk briller

We demonstrate the use of two nuclear-based analytical methods that can follow the modifications of microstructural arrangement of iron-based metallic ...

Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform

Skalerbare Quantum integrerte kretser på superledende todimensjonale Electron gass plattform

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface ...

Single-Digit Nanometer Electron-Beam Lithography with an Aberration-Corrected Scanning Transmission Electron Microscope

Ett siffer Nanometer elektronstråle Litografi med et avvik-korrigert skanning Transmission elektron mikroskop

We demonstrate extension of electron-beam lithography using conventional resists and pattern transfer processes to single-digit nanometer dimensions by ...

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Microscopy with Biasing and Fabrication of Asymmetric Crossbars Based on Mixed-Phased a-VOx

In Situ Transmission Electron Mikroskopi med biasing og fabrikasjon av asymmetriske tverrligger basert på blandet faset a-VOx