Name: performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope
Uploaded: 2021-07-24T13:30:00
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Esta investigación fue patrocinada principalmente por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), administrado por UT-Battelle LLC, para el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). Parte del desarrollo para introducir vapor de agua en la celda de gas in situ fue patrocinado por el DOE de los Estados Unidos, la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, la Oficina de Tecnologías de Bioenergía, bajo el contrato DE-AC05-00OR22725 (ORNL) con UT-Battle, LLC, y en colaboración con el Consorcio de Catálisis Química para bioenergía (ChemCatBio), miembro de la Red de Materiales Energéticos (REM). Este trabajo fue escrito en parte por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, operado por Alliance for Sustainable Energy, LLC, para el DOE de los Estados Unidos bajo el Contrato No. DE-AC36-08GO28308. Parte de la microscopía se llevó a cabo en el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase (CNMS), que es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE. El desarrollo temprano de capacidades STEM in situ fue patrocinado por el Programa de Materiales de Propulsión, Oficina de Tecnologías de Vehículos, DOE de EE. UU.  Agradecemos al Dr. John Damiano, Protochips Inc., por sus útiles discusiones técnicas. Los autores agradecen a Rosemary Walker y Kase Clapp, equipo de producción de ORNL, por su apoyo con la producción de películas. Las opiniones expresadas en este artículo no representan necesariamente las opiniones del Departamento de Trabajo o del Gobierno de los Estados Unidos. El Gobierno de los Estados Unidos retiene y el editor, al aceptar el artículo para su publicación, reconoce que el Gobierno de los Estados Unidos conserva una licencia mundial no exclusiva, pagada, irrevocable y no exclusiva para publicar o reproducir la forma publicada de esta obra, o permitir que otros lo hagan, para fines del Gobierno de los Estados Unidos.

1. Preparación del chip electrónico
<ol><li>Deposición directa de polvo por fundición en gota de una solución coloidal (Figura 2A).<ol>
<li>Aplaste el polvo si los agregados de partículas de polvo son demasiado grandes. Haga esto usando un pequeño mortero y pestle (los agregados triturados deben ser de <5 μm de tamaño). Mezcle una pequeña cantidad (por ejemplo, ~ 0.005 mg, cantidad determinada por la experiencia) de polvo en 2 mL del disolvente (por ejemplo, isopropanol o etanol)...

<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. 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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. 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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. 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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>

En el presente trabajo, se demuestra un enfoque para realizar reacciones STEM in situ con y sin vapor de agua. El paso crítico dentro del protocolo es la preparación del chip E y el mantenimiento de su integridad durante el procedimiento de carga. La limitación de la técnica es (a) el tamaño de la muestra y su geometría para ajustarse a la brecha nominal de 5 μm entre los dispositivos de microchip de silicio emparejados (MEMS) basados en (b), así como (b) una presión total utilizada en los experimentos ...

Es necesario obtener información detallada sobre cómo un material sufre cambios estructurales y químicos bajo exposición reactiva a gases y a temperaturas elevadas. La microscopía electrónica de transmisión (STEM) de reacción de gas de celda cerrada in situ (CCGR) se desarrolló específicamente para estudiar los cambios dinámicos que ocurren en una amplia gama de sistemas de materiales (por ejemplo, catalizadores, materiales estructurales, nanotubos de carbono, etc.) cuando se someten a temperaturas elevadas, diferentes ambientes gaseosos y presiones desde el vacío hasta la presión atmosférica completa1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Este enfoque puede ser beneficioso en varios casos, por ejemplo, en el desarrollo acelerado de catalizadores de próxima generación que son importantes para una serie de procesos de conversión industrial, como la conversión de un solo paso de etanol a n-butenos sobre Ag-ZrO2/SiO213,catalizadores para la reacción de reducción de oxígeno y la reacción de evolución del hidrógeno en aplicaciones de pilas de combustible14,15,hidrogenación catalítica de CO2 16,deshidrogenación de metanol a formaldehído o deshidratación a dimetil éter que utilizan catalizadores metálicos o nanotubos de carbono de paredes múltiples en una reacción de conversión de metanol en presencia de oxígeno17. Las aplicaciones recientes de esta técnica in situ para la investigación de catálisis1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 han proporcionado una nueva visión de los cambios de forma dinámica del catalizador10,11,23,facetado7,crecimiento y movilidad8,20,24. Además, el CCGR-STEM in situ se puede utilizar para investigar el comportamiento de oxidación a alta temperatura de materiales estructurales que están expuestos a entornos agresivos, desde motores de turbinas de gas hasta reactores de fisión y fusión de próxima generación, donde no solo la resistencia, la tenacidad a la fractura, la soldabilidad o la radiación son importantes, sino también la resistencia a la oxidación a alta temperatura25,26,27,28,29. Específicos de las aleaciones estructurales, los experimentos CCGR-STEM in situ permiten el seguimiento dinámico de la migración de límites de grano inducida por difusión en condiciones de reducción9 y mediciones de cinética de oxidación a alta temperatura5,6,30. Durante varias décadas antes del reciente desarrollo de las tecnologías CCGR, los estudios de reacción de gas in situ se llevaron a cabo utilizando TEMs ambientales dedicados (E-TEMs). Anteriormente se ha abordado una comparación detallada de E-TEM y CCGR-STEM10; por lo tanto, las capacidades de E-TEM no se examinan más a fondo en el presente trabajo.
En este trabajo, se utilizó un sistema disponible comercialmente(Tabla de Materiales)que comprende un colector controlado por computadora (sistema de suministro de gas) y un soporte CCGR TEM especialmente diseñado que utiliza un par de dispositivos de microchip de silicio basados en microelectromecánicos (MEMS) (por ejemplo, chip espaciador y calentador "E-chip"(Tabla de materiales)). Cada E-chip soporta una membrana amorfa, transparente a electrón SixNy. El chip espaciador tiene una membrana SixNy de 50 nm de espesor con un área de visualización de 300 x 300μm 2 y contactos "espaciadores" fotorresistes a base de epoxi (SU-8) de 5 μm de espesor que son microfabricados para proporcionar una ruta de flujo de gas y mantener un desplazamiento físico entre los dos microchips emparejados(Figura 1A). Una porción del E-chip está cubierta con una membrana cerámica de SiC de baja conductividad de ~ 100 nm; la membrana tiene una matriz de 3 x 2 de agujeros grabados de 8 μm de diámetro superpuestos por una membrana amorfa de SixNy de ~30 nm de espesor (área de visualización de SixNy) (Figura 1A y Figura 2D), a través de la cual se graban imágenes. El E-chip cumple una doble función como soporte de la muestra y calentador6. Los contactos Au se microfabrican en el E-chip para permitir el calentamiento resistivo de la membrana de SiC. Cada E-chip está calibrado utilizando métodos de imagen de radiación infrarroja (IR)(Tabla de Materiales)2 y se ha demostrado que es preciso dentro de ±5%31. La calibración de la temperatura es independiente de la composición y la presión del gas, lo que proporciona un control independiente sobre las temperaturas de reacción en cualquier condición de gas elegida. La ventaja de un calentador de película delgada es que se pueden alcanzar temperaturas de hasta 1.000 °C en milisegundos. Para realizar la reacción, el E-chip se coloca en la parte superior del chip espaciador, creando el "sándwich" de celda cerrada que aísla el ambiente alrededor de la muestra del alto vacío de la columna TEM. La ventaja de esta configuración es que las reacciones se pueden realizar desde bajas presiones hasta presión atmosférica (760 Torr) con gases únicos o mixtos y en condiciones estáticas o de flujo. Los dispositivos MEMS están asegurados con una abrazadera (Figura 1B) que permite insertar el soporte dentro del espacio del tamaño de un milímetro de la pieza del polo de la lente objetivo en un instrumento S/TEM corregido por aberración (Tabla de Materiales) ( Figura1C). Los soportes S/TEM in situ modernos incluyen tubos micro-fluídicos integrados (capilares) que están conectados a la tubería externa de acero inoxidable, que a su vez está conectada al sistema de suministro de gas (colector). Un sistema de control electrónico permite la entrega controlada y el flujo de gas reactivo a través de la celda de gas. El flujo de gas y la temperatura son operados por un paquete de software personalizado basado en el flujo de trabajo proporcionado por el fabricante(Tabla de materiales)10,32. El software controla tres líneas de entrada de gas, dos tanques internos de suministro de gas experimental y un tanque receptor para el flujo de gas que regresa de la celda durante el experimento (Figura 1D).
Debido a la variabilidad de los materiales y su factor de forma, primero nos centramos en varios métodos de deposición de muestras en el E-chip, luego esbozamos protocolos para realizar experimentos cuantitativos in situ/operando con temperatura controlada, mezcla de gases y flujo.

<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

Las reacciones de gas estudiadas por microscopía electrónica in situ se pueden utilizar para capturar las transformaciones morfológicas y microquímicas en tiempo real de los materiales a escalas de longitud hasta el nivel atómico. Los estudios in situ de reacción de gas de células cerradas (CCGR) realizados utilizando microscopía electrónica de transmisión (STEM) (de barrido) pueden separar e identificar reacciones dinámicas localizadas, que son extremadamente difíciles de capturar utilizando otras técnicas de caracterización. Para estos experimentos, utilizamos un soporte CCGR que utiliza microchips de calefacción basados en sistemas microelectromecánicos (MEMS) (en lo sucesivo denominados "E-chips"). El protocolo experimental descrito aquí detalla el método para realizar reacciones de gas in situ en gases secos y húmedos en un STEM corregido por aberración. Este método encuentra relevancia en muchos sistemas de materiales diferentes, como la catálisis y la oxidación a alta temperatura de materiales estructurales a presión atmosférica y en presencia de varios gases con o sin vapor de agua. Aquí, se describen varios métodos de preparación de muestras para varios factores de forma de materiales. Durante la reacción, los espectros de masas obtenidos con un sistema de analizador de gases residuales (RGA) con y sin vapor de agua validan aún más las condiciones de exposición al gas durante las reacciones. La integración de un RGA con un sistema CCGR-STEM in situ puede, por lo tanto, proporcionar información crítica para correlacionar la composición de gases con la evolución dinámica de la superficie de los materiales durante las reacciones. Losestudios insitu/operando que utilizan este enfoque permiten una investigación detallada de los mecanismos fundamentales de reacción y cinética que se producen en condiciones ambientales específicas (tiempo, temperatura, gas, presión), en tiempo real, y a alta resolución espacial.

Especímenes para reacciones de gases de células cerradas basadas en MEMS: Deposición directa de polvo por fundición en gota desde una solución coloidal y a través de una máscara Dependiendo del material a estudiar, existen varias formas diferentes de preparar E-chips para experimentos CCGR-STEM in situ/operando. La preparación de la célula de gas para los estudios de catálisis normalmente requiere la dispersión de las nanopartículas del catalizador en el chip ...

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

Aquí, presentamos un protocolo para realizar experimentos in situ de reacción de gas de célula cerrada TEM mientras se detallan varios métodos de preparación de muestras de uso común.

Realización De Reacciones In Situ De Gases De Células Cerradas En El Microscopio Electrónico De Transmisión

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

Hasta hace poco, analizamos los materiales antes y después de ciertas pruebas. Sin embargo, es necesario obtener información detallada sobre cómo el material sufre cambios estructurales y químicos en ambientes agresivos a temperaturas elevadas. la reacción in situ del gas de la cerrado-célula, CCGR, transmisión de la exploración electromicroscopy fue desarrollada específicamente para esto.Estudiar los cambios dinámicos en tiempo real a temperaturas elevadas en un entorno gaseoso, hasta la presión atmosférica completa en una amplia gama de sistemas de materiales, como catalizadores, materiales estructurales, nanotubos de carbono, etc. Además, las reacciones se pueden estudiar en diferentes escalas de longitud, desde micras hasta nivel de escala atómica. Esto es muy importante, porque a aumentos más bajos podemos aprender mucho sobre el comportamiento general del sistema y extraer información cinética.Mientras que en el nivel de escala atómica, podemos aprender acerca de los mecanismos de reacción y cinética que se producen en la superficie, así como las interfaces que son específicas del sitio. Esto es realmente notable, para obtener imágenes de resolución atómica a presión atmosférica, y no se puede hacer realmente mediante ninguna técnica experimental. Este protocolo destaca cómo realizar la reacción in situ del gas de la cerrado-célula usando electromicroscopy in situ.También destaca la preparación de muestras y sus desafíos para diferentes materiales. Deposición directa de polvo por fundición en gota de una solución coloidal. Aplaste el polvo si las partículas de polvo son demasiado grandes.Mezcle una pequeña cantidad de polvo y dos mililitros solventes. La cantidad se determina mediante experimentos. Solución sonicada durante cinco minutos para crear una suspensión coloidal.Coloque el E-chip en el accesorio de retención del E-chip. Drop echa la suspensión usando una micro-pipeta directamente sobre el E-chip. Limpie el contacto de oro con un punto de papel absorbente mientras ve un microscopio estéreo.Deposición directa de polvo a través de una máscara. Coloque un nuevo E-chip limpio en el accesorio de retención del E-chip. Use y enmascare y colótelo directamente en E-chip dentro del accesorio.Use la placa superior para sujetar un nuevo E-chip limpio y una máscara dentro del accesorio. Deposite una pequeña cantidad del polvo usando una espátula directamente sobre la membrana de nitruro de silicio del nuevo E-chip limpio a través de la máscara. Haga vibrar suavemente el accesorio para agitar las partículas hasta el chip E.Esto se podría hacer mediante la unidad de sonicación y la colocación del accesorio en el casto seco. Sacude el exceso de polvo, desensantable el sistema e inspeccione la colocación del polvo en el E-chip. Métodos de deposición por evaporación de haz de electrones, iones o pulverización de magnetrón.Cree una máscara de patrón usando un chip espaciador con membrana de nitruro de silicio y ventana TEM micro-porosa de nitruro de silicio. Use pegamento de cianoacrilolato para fijar a la ventana tem micro-porosa de nitruro de silicio boca abajo sobre la abertura de 50 por 250 micras, siguiendo la recomendación del fabricante. Luego repita el procedimiento para preparar tantas máscaras de patrón como sea necesario para los E-chips.Coloque un nuevo E-chip limpio en el accesorio E-chip. Coloque la máscara de patrón en el E-chip. Cubra la placa superior y sujete.Utilice la evaporación del haz de electrones, el sputtering del ion o la técnica de la deposición del sputtering del magnetrón. Desbasamble el sistema e inspeccione el E-chip con el material depositado. Viga de iones enfocada o fresado fib.Prepare una laminilla TEM usando la FIB. Coloque la laminilla TEM en el E-chip. Asegúrese de que al unir la muestra al chip E, no dañe la membrana de nitruro de silicio.Preparación del titular ccgr-tem. Descargue el archivo de calibración deseado. Compruebe la resistencia del E-chip.Mida la resistencia del calentador de carburo de silicio para asegurarse de que está dentro del rango de resistencia para esa calibración de chip E en particular según lo proporcionado por el fabricante de CCGR. Retire la abrazadera de la parte superior del soporte. Limpie la punta del soporte CCGR-TEM usando puntos de papel absorbentes o aire comprimido, asegurándose de que no quede ningún residuo en las arboledas del anillo O.Coloque el chip espaciador en el soporte CCGR-TEM. Coloque el E-chip, con los contactos del calentador haciendo las conexiones adecuadas a los contactos eléctricos con el cable flexible en el soporte. A continuación, apriete los tornillos de ajuste.Mida de nuevo la resistencia del calentador de carburo de silicio después de montar el soporte CCGR-TEM para asegurarse de que está dentro del rango de resistencia para esa calibración de chip E en particular, según lo proporcionado por el fabricante ccgr. Preparación de la configuración experimental. Hornee y bombee el sistema durante la noche, ya sea con o sin el soporte conectado.Cargue el soporte y conecte el tubo. Para el experimento, bombee y purgue el sistema con el gas inerte. Por ejemplo, dos veces de 100 Torr a 0,5 Torr.Preformar una bomba final y purgar de 100 Torr a 0.001 Torr. Analizador de gases residuales. Durante el procedimiento de bomba y purga, encienda el sistema RGA para calentar el filamento.La integración de un RGA con un sistema de reactor de gas de celda cerrada in situ en un vástago, proporciona las mediciones críticas para correlacionar la composición del gas con la evolución dinámica de la superficie de los materiales durante las reacciones. El monitoreo continuo de gases es esencial para realizar reacciones en catalizadores y materiales estructurales con gases mezclados o mientras se alternan gases y presiones, y especialmente cuando se incorpora vapor de agua a la mezcla de gases. Acople el gas de purga al VDS y gire el pomo de la palanca al escape y, a continuación, gire a la posición del parque.Presione el VDS fluyendo el gas inerte tres veces, o hasta que no haya más líquido presente. Gire la perilla para estacionar la posición y conecte VDS al colector. Gire la perilla para llenar la posición y luego retire la línea de gas de purga.Establezca la presión de vapor en 18.7 Torr en el software de control de gas. Bombee el VDS al vacío, que es 0.1 Torr. Llene el VDS con agua, que es de 2 milímetros a través de jeringa y tubería.Tenga en cuenta que si se necesita vapor de mayor pureza, se requieren pasos de purga adicionales. Ejecutando la reacción. Asegúrese de que todos los gases estén conectados al colector.Utilizando el software de atmósfera bajo nombre, establezca los gases correctos para la reacción y guarde el archivo de fila. En Configuración de chip E, seleccione el archivo de calibración correcto para el chip E y ejecute la calibración. En bomba y purga, consulte preparación de la configuración experimental.En Control de gas, seleccione la composición del gas. Bajo temperatura, seleccione la velocidad de calentamiento y la temperatura objetivo. Inicie el experimento.Comience a fluir gas. Comience a crear imágenes. Registre la composición del gas.Resultados representativos. Ejemplo de los resultados in situ de CCGR-STEM. Las imágenes STEM de campo brillante muestran un ejemplo de esta evolución superficial de una nanopartícula de platino en un soporte de titanio cuando se expone al vapor de agua.Los cambios estructurales en la partícula de platino muestran un reordenamiento de la estructura asociado con cambios de forma menores mientras monitorean la composición del gas. Finalizar el experimento. Apague la temperatura.Deje de fluir gas. Finalizar sesión. resumen. CCGR-STEM, por ejemplo, es beneficioso para el desarrollo acelerado de catalizadores de próxima generación con alta durabilidad, que son importantes para una serie de procesos de conversión catalítica, como una conversión catalítica de pirólisis rápida de un solo paso de etanol a N-butano y en combustible para aviones o hidrogeneración de CO2, etc.Además, CCGR-STEM se puede utilizar para investigar el comportamiento de oxidación a alta temperatura de materiales estructurales en entornos agresivos, para imitar el comportamiento de los materiales similar, por ejemplo, a los entornos de motores de turbinas de gas o a los reactores de fisión o fusión de próxima generación.

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

Revelando los procesos dinámicos de los materiales en líquidos con líquido de transmisión celular Microscopía Electrónica

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

Investigación

Ingeniería

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

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En Desglose dieléctrica Situ dependiente del tiempo en el microscopio electrónico de transmisión: una posibilidad de comprender el mecanismo de falla en los dispositivos microelectrónicos

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

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Caracterización integral de defectos extendidos en materiales semiconductores por un microscopio electrónico de barrido

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

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El estudio de procesos dinámicos de nano-objetos de tamaño en el líquido de utilizar el escaneado Microscopía Electrónica de Transmisión

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

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Caracterización de ultra-grano fino y nanocristalinos materiales que utilizan la transmisión Kikuchi Difracción

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