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

Это исследование было в основном спонсировано Программой лабораторных исследований и разработок Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL), управляемой UT-Battelle LLC, для Министерства энергетики США (DOE). Часть разработки по внедрению водяного пара в газовую ячейку in situ была спонсирована Американским агентством ПО энергетике, Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, Управлением биоэнергетических технологий, по контракту DE-AC05-00OR22725 (ORNL) с UT-Battle, LLC и в сотрудничестве с консорциумом химического катализа для биоэнергетики (ChemCatBio), членом Сети энергетических материалов (EMN). Эта работа была частично написана Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, управляемой Alliance for Sustainable Energy, LLC, для DoE США по контракту No. DE-AC36-08GO28308. Часть микроскопии была проведена в Центре наук о нанофазных материалах (CNMS), который является Пользовательским центром Управления науки Министерства науки США. Ранняя разработка возможностей STEM in situ была спонсирована Программой двигательных материалов Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США.  Мы благодарим д-ра Джона Дамиано, Protochips Inc., за полезные технические обсуждения. Авторы благодарят Розмари Уокер и Кейс Клэпп, производственную команду ORNL, за поддержку в производстве фильмов. Мнения, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Министерства по делам или правительства США. Правительство США сохраняет за собой, а издатель, принимая статью к публикации, признает, что правительство США сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную, всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы этой работы или разрешение другим лицам делать это для целей правительства США.

1. Подготовка электронных чипов
<ol><li>Прямое осаждение порошка путем капельного литья из коллоидного раствора(рис. 2А).<ol>
<li>Измельчить порошок, если агрегаты частиц порошка слишком велики. Сделайте это с помощью небольшой ступки и пестиков (измельченные заполнители долж...

<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>

В настоящей работе продемонстрирован подход к выполнению STEM-реакций in situ с водяным паром и без него. Критическим этапом протокола является подготовка электронного чипа и поддержание его целостности во время процедуры загрузки. Ограничением метода является (а) размер образца и его...

Необходимо получить подробную информацию о том, как материал претерпевает структурные и химические изменения под воздействием химически активных газов и при повышенных температурах. Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM) in situ с закрытой ячейкой (CCGR) была разработана специально для изучения динамических изменений, происходящих в широком спектре материальных систем (например, катализаторов, конструкционных материалов, углеродных нанотрубок и т. д.) при воздействии повышенных температур, различных газовых сред и давлений от вакуума до полного атмосферного давления1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Этот подход может быть полезен в нескольких случаях, например, при ускоренной разработке катализаторов следующего поколения, которые важны для ряда промышленных процессов конверсии, таких как одноступенчатая конверсия этанола в n-бутены по Ag-ZrO2/SiO213,катализаторы реакции восстановления кислорода и реакции эволюции водорода в приложениях топливных элементов14,15,каталитическое гидрированиеCO2 16,дегидрирование метанола в формальдегид или дегидратация в диметиловый эфир, которые используют либо металлические катализаторы, либо многостенные углеродные нанотрубки в реакции превращения метанола в присутствии кислорода17. Недавние применения этого метода in situ для исследований катализа1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 дали новое представление о динамических изменениях формы катализатора10,11,23,огранки7,росте и подвижности8,20,24. Кроме того, in situ CCGR-STEM может быть использован для исследования высокотемпературного окислительного поведения конструкционных материалов, которые подвергаются воздействию агрессивных сред, от газотурбинных двигателей до реакторов деления и синтеза следующего поколения, где важны не только прочность, ударная вязкость, свариваемость или излучение, но и высокотемпературная стойкость кокислению 25,26,27,28,29. Специфичные для конструкционных сплавов эксперименты in situ CCGR-STEM позволяют динамически отслеживать диффузионно-индуцированную миграцию граничного зерна в условиях редукции9 и измерения кинетики окисления при высокой температуре5,6,30. В течение нескольких десятилетий, предшествовавших недавнему развитию технологий CCGR, исследования реакций на газ in situ проводились с использованием специальных экологических ТЭМ (E-TEMs). Подробное сопоставление E-TEM и CCGR-STEM было рассмотреноранее 10; поэтому возможности Э-ТЕА в настоящей работе более подробно не обсуждаются.
В этой работе была использована коммерчески доступная система(Таблица материалов),включающая управляемый компьютером коллектор (система подачи газа) и специально разработанный держатель CCGR TEM, в которой используется пара устройств кремниевых микрочипов на основе микроэлектромеханика (MEMS) (например, спейсерный чип и нагреватель "E-chip"(Таблица материалов)). Каждый E-чип поддерживает аморфную, электронно-прозрачнуюмембрануSi x Ny. Спейсерный чип имеет мембрану SixNy толщиной 50 нм с областью обзора 300 x 300мкм2 и 5 мкм толщиной эпоксидных фоторезист (SU-8) «спейсерных» контактов, которые микрофабрикированы для обеспечения пути потока газа и поддержания физического смещения между двумя парными микрочипами(рисунок 1A). Часть E-чипа покрыта керамической мембраной с низкой проводимостью ~100 нм SiC; мембрана имеет массив 3 x 2 из вытровенных отверстий диаметром 8 мкм, перекрываемых аморфной мембраной SixN y толщиной~30 нм (sixNy области просмотра)(рисунок 1A и рисунок 2D),через который записываются изображения. E-чип выполняет двойную роль как в качестве поддержки образца, так и в качестве нагревателя6. Контакты Au микрофабрикуются на E-чипе, чтобы обеспечить резистивный нагрев мембраны SiC. Каждый электронный чип калибруется с использованием методов визуализации инфракрасного излучения (ИК)(Таблица материалов)2 и, как было показано, является точным с точностью до ±5%31. Калибровка температуры не зависит от состава и давления газа, что обеспечивает независимый контроль температур реакции при любых выбранных газовых условиях. Преимущество тонкопленочного нагревателя заключается в том, что температура до 1000 °C может быть достигнута в течение миллисекунд. Чтобы выполнить реакцию, E-чип помещается на верхнюю часть спейсерного чипа, создавая «сэндвич» с закрытой ячейкой, который изолирует среду вокруг образца от высокого вакуума колонны TEM. Преимущество этой установки заключается в том, что реакции могут быть выполнены от низкого давления до атмосферного давления (760 Торр) с одиночными или смешанными газами и в статических или проточных условиях. Устройства MEMS закреплены с помощью зажима(рисунок 1B),который позволяет вставлять держатель в зазор размером в мм от полюса объектива в прибор S/TEM с коррекцией аберрации(Таблица материалов)(Рисунок 1C). Современные держатели S/TEM на месте включают в себя интегрированные микрожидкие трубки (капилляры), которые соединены с внешней трубой из нержавеющей стали, которая, в свою очередь, соединена с системой подачи газа (коллектором). Электронная система управления обеспечивает контролируемую подачу и поток реагента через газовую ячейку. Расход и температура газа управляются пользовательским программным пакетом на основе рабочего процесса, предоставляемым производителем(Таблица материалов)10,32. Программное обеспечение управляет тремя линиями ввода газа, двумя внутренними экспериментально-газоотводными баками и приемным резервуаром для потока газа, возвращающегося из ячейки во времяэксперимента (рисунок 1D).
Из-за изменчивости материалов и их форм-фактора мы сначала сосредоточимся на нескольких методах осаждения образцов на E-чипе, а затем наметим протоколы для выполнения количественных экспериментов in situ/operando с контролируемой температурой, смешиванием газа и потоком.

<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

Газовые реакции, изученные с помощью электронной микроскопии in situ, могут быть использованы для захвата морфологических и микрохимических превращений материалов в реальном времени в масштабах до атомного уровня. Исследования in situ с закрытой газовой реакцией (CCGR), выполненные с использованием (сканирующей) просвечивающей электронной микроскопии (STEM), могут отделять и идентифицировать локализованные динамические реакции, которые чрезвычайно сложно захватить с использованием других методов характеризации. Для этих экспериментов мы использовали держатель CCGR, который использует нагревательные микрочипы на основе микроэлектромеханических систем (MEMS) (далее именуемые «E-чипы»). Экспериментальный протокол, описанный здесь, детализирует метод выполнения газовых реакций in situ в сухих и влажных газах в STEM с коррекцией аберрации. Этот метод находит актуальность во многих различных системах материалов, таких как катализ и высокотемпературное окисление конструкционных материалов при атмосферном давлении и в присутствии различных газов с водяным паром или без него. Здесь описано несколько методов пробоподготовки для различных форм-факторов материала. Во время реакции масс-спектры, полученные с помощью системы анализатора остаточного газа (RGA) с водяным паром и без него, дополнительно подтверждают условия воздействия газа во время реакций. Таким образом, интеграция RGA с системой CCGR-STEM in situ может обеспечить критическое понимание для корреляции состава газа с динамической эволюцией поверхности материалов во время реакций. Исследования in situ/operando с использованием этого подхода позволяют детально испускать фундаментальные механизмы реакций и кинетику, которые происходят при определенных условиях окружающей среды (время, температура, газ, давление), в режиме реального времени и при высоком пространственном разрешении.

Образцы для газовых реакций с закрытыми ячейками на основе MEMS: Прямое осаждение порошка капельным литьем из коллоидного раствора и через маску В зависимости от изучаемого материала существует ряд различных способов подготовки электронных чипов для эксперименто?...

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

Здесь мы представляем протокол для проведения экспериментов in situ с газовой реакцией с закрытыми ячейками ТЕА, подробно описывая несколько широко используемых методов подготовки образцов.

Выполнение газовых реакций in situ с закрытыми ячейками в просвечиваемом электронном микроскопе

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

До недавнего времени мы анализировали материалы до и после определенных испытаний. Однако существует необходимость получения подробной информации о том, как материал претерпевает структурные и химические изменения в агрессивных средах при повышенных температурах. специально для этого была разработана газовая реакция in situ с закрытыми ячейками, CCGR, сканирующая трансмиссионная электромикроскопия.Изучать динамические изменения в режиме реального времени при повышенных температурах в газовой среде, вплоть до полного атмосферного давления в широком спектре материалов системы, таких как катализаторы, конструкционные материалы, углеродные нанотрубки и так далее. Кроме того, реакции могут быть изучены в различных масштабах длины, от микрон до уровня атомного масштаба. Это очень важно, потому что при меньших увеличениях мы можем многое узнать об общем поведении системы и извлечь кинетическую информацию.Находясь на уровне атомного масштаба, мы можем узнать о механизмах реакции и кинетике, которые происходят на поверхности, а также о интерфейсах, которые специфичны для сайта. Это действительно замечательно, чтобы получить изображения атомного разрешения при атмосферном давлении, и это не может быть действительно сделано никакими экспериментальными методами. Этот протокол показывает, как выполнять газовую реакцию in situ с закрытой ячейкой с использованием электромикроскопии in situ.В нем также освещается подготовка образцов и ее проблемы для различных материалов. Прямое осаждение порошка капельным литьем из коллоидного раствора. Измельчить порошок, если частицы порошка слишком велики.Смешайте небольшое количество порошка и два миллилитра растворителя. Количество определяется экспериментами. Раствор ультразвука в течение пяти минут создают коллоидную суспензию.Поместите E-чип на крепление E-chip. Бросьте отливку подвески с помощью микропипетки непосредственно на E-чип. Очистите золотой контакт с помощью абсорбирующей бумажной точки во время просмотра бросок стереомикроскопа.Прямое осаждение порошка через маску. Поместите новый чистый E-chip на крепление E-chip. Используйте маску и поместите ее непосредственно на электронный чип внутри светильника.Используйте верхнюю пластину, чтобы зажать новый чистый электронный чип и маску вместе внутри светильника. Нанесите небольшое количество порошка с помощью шпателя непосредственно на мембрану нитрида кремния нового чистого E-чипа через маску. Осторожно вибрируйте светильник, чтобы встряхнуть частицы до Е-чипа.Это можно сделать с помощью блока ультразвуковой арматуры и размещения светильника в сухом музере. Стряхните лишний порошок, расстейте систему и проверьте размещение порошка на Е-чипе. Методы осаждения путем электронно-лучевого испарения, ионного или магнетронного распыления.Создайте маску шаблона с помощью спейсерного чипа с мембраной нитрида кремния и микропористым окном TEM из нитрида кремния. Используйте цианоакриолатный клей для прикрепления к микропористой окошке TEM нитрида кремния лицевой стороной вниз через отверстие размером 50 на 250 микрон в соответствии с рекомендацией производителя. Затем повторите процедуру, чтобы подготовить столько масок шаблона, сколько необходимо для E-chips.Поместите новый чистый E-chip на светильник E-chip. Поместите маску узора на E-чип. Накройте верхнюю пластину и зажмите ее.Используйте либо электронно-лучевое испарение, ионное напыление, либо метод напыления магнетронов. Рассейте систему и осмотрите электронный чип с нанесенным материалом. Сфокусированный ионный пучок или фрезерование FIB.Приготовьте ламелю TEM с помощью FIB. Поместите ламеллу TEM на электронный чип. Убедитесь, что, прикрепив образец к E-чипу, вы не повредили мембрану нитрида кремния.Подготовка держателя CCGR-TEM. Загрузите нужный калибровочный файл. Проверьте сопротивление E-чипа.Измерьте сопротивление нагревателя из карбида кремния, чтобы убедиться, что оно находится в диапазоне сопротивления для этой конкретной калибровки E-чипа, как это предусмотрено производителем CCGR. Снимите зажим с верхней части держателя. Очистите наконечник держателя CCGR-TEM с помощью абсорбирующих бумажных точек или сжатого воздуха, убедившись, что на рощах кольца O не осталось мусора.Поместите чип прокладки в держатель CCGR-TEM. Поместите E-чип, с контактами нагревателя, соответствующими соединениями с электрическими контактами с гибким кабелем на держателе. Затем закрутите установленные винты.Еще раз измерьте сопротивление нагревателя из карбида кремния после сборки держателя CCGR-TEM, чтобы убедиться, что он находится в пределах диапазона сопротивления для этой конкретной калибровки E-чипа, как это предусмотрено производителем CCGR. Подготовка экспериментальной установки. Выпекайте и откачивайте систему в течение ночи, с подключенным держателем или без него.Загрузите держатель и подключите трубку. Для эксперимента перекачиваем и продувку системы инертным газом. Например, дважды от 100 Torr до 0.5 Torr.Подготовь итоговый насос и продувка от 100 Торр до 0,001 Торр. Анализатор остаточного газа. Во время процедуры насоса и продувки включите систему RGA, чтобы прогреть нить накала.Интеграция RGA с системой газового реактора in situ с закрытой ячейкой на штоке обеспечивает критические измерения для корреляции газового состава с динамической эволюцией поверхности материалов во время реакций. Непрерывный мониторинг газов необходим для проведения реакций на катализаторах и конструкционных материалах со смешанными газами или при чередовании газов и давлений, особенно когда водяной пар включен в газовую смесь. Прикрепите продувочный газ к VDS и поверните ручку рычага к выхлопу, затем поверните в положение парковки.Надавите на VDS, проточив инертный газ три раза или до тех пор, пока не будет больше жидкости. Поверните ручку в положение парковки и прикрепите VDS к коллектору. Поверните ручку, чтобы заполнить положение, а затем удалите продувочную газовую магистраль.Установите давление пара на 18,7 Torr в программном обеспечении для управления газом. Перекачиваем VDS в вакуум, что составляет 0,1 Торра. Наполните VDS водой, которая составляет 2 миллиметра через шприц и трубку.Обратите внимание, что если требуется пар более высокой чистоты, требуются дополнительные этапы продувки. Запуск реакции. Убедитесь, что все газы подключены к коллектору.Используя программное обеспечение атмосферы под именованием, установите правильные газы для реакции и сохраните файл строки. В разделе Настройка электронного чипа выберите правильный калибровочный файл для E-чипа и запустите калибровку. В разделе Насос и продувка см. подготовку экспериментальной установки.В разделе Газовый контроль выберите состав газа. В разделе «Температура» выберите скорость нагрева и целевую температуру. Начните эксперимент.Начните течь газом. Запустите создание образа. Запись состава газа.Репрезентативные результаты. Пример результатов in situ CCGR-STEM. Яркие полевые STEM-изображения показывают пример этой поверхностной эволюции платиновой наночастицы на титановой опоре при воздействии водяного пара.Структурные изменения частиц платины показывают перестройку структуры, связанную с незначительными изменениями формы при мониторинге состава газа. Завершите эксперимент. Выключите температуру.Прекратите поступление газа. Завершение сеанса. сводка. CCGR-STEM, например, полезен для ускоренной разработки катализаторов следующего поколения с высокой прочностью, которые важны для ряда каталитических процессов конверсии, таких как каталитический быстрый пиролиз одноступенчатой конверсии этанола в N-бутан и далее в реактивное топливо или гидрирование CO2 и так далее.Кроме того, CCGR-STEM может быть использован для исследования высокотемпературного окислительного поведения конструкционных материалов в агрессивных средах, для имитации поведения материалов, аналогичного, например, средам газотурбинных двигателей или реакторам деления или синтеза следующего поколения.

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

Выявление динамических процессов в жидкостях материалов с использованием жидкого сотовых просвечивающей электронной микроскопии

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

В Ситу Время-зависимой пробой диэлектрика в просвечивающий электронный микроскоп: возможность понять механизм Отказ в микроэлектронных устройств

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

Исчерпывающая характеристика протяженных дефектов в полупроводниковых материалах на растровом электронном микроскопе

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

Изучение динамических процессов наноразмерных объектов в жидкости с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа

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

Характеристика Ультра мелкозернистый и нанокристаллических материалов с помощью просвечивающей Кикучи дифракции

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

Метод для получения последовательного ультратонких разделы микроорганизмов в просвечивающей электронной микроскопии

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

Методы Ex Situ и In Situ исследования структурных преобразований: В случае кристаллизации металлических стекол

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

Масштабируемые квантовые интегрированные схемы на сверхпроводящей двухмерной газовой платформе

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

Однозначных нанометр электронно лучевая литография с исправления аберраций сканирования просвечивающий электронный микроскоп

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