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

Denna forskning sponsrades främst av Laboratory Directed Research and Development Program of Oak Ridge National Laboratory (ORNL), som förvaltas av UT-Battelle LLC, för U.S. Department of Energy (DOE). En del av utvecklingen för att introducera vattenånga i in situ-gascellen sponsrades 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, och i samarbete med Chemical Catalysis for Bioenergy (ChemCatBio) Consortium, medlem i Energy Materials Network (EMN). Detta arbete författades delvis av National Renewable Energy Laboratory, som drivs av Alliance for Sustainable Energy, LLC, för U.S. DOE under kontrakt nr. DE-AC36-08GO28308. En del av mikroskopin utfördes vid Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), som är en DOE Office of Science User Facility. Tidig utveckling av IN SITU STEM-funktioner sponsrades av Propulsion Materials Program, Vehicle Technologies Office, U.S. DOE.  Vi tackar Dr. John Damiano, Protochips Inc., för användbara tekniska diskussioner. Författarna tackar Rosemary Walker och Kase Clapp, ORNL production team, för stöd med filmproduktion. De åsikter som uttrycks i denna artikel representerar inte nödvändigtvis DOE: s eller den amerikanska regeringens åsikter. Den amerikanska regeringen behåller och utgivaren, genom att acceptera artikeln för publicering, erkänner att den amerikanska regeringen behåller en icke-exekutiv, betald, oåterkallelig, världsomspännande licens för att publicera eller reproducera den publicerade formen av detta arbete, eller tillåta andra att göra det, för amerikanska regeringens ändamål.

1. E-chip förberedelse
<ol><li>Direkt pulverdeposition genom drop-casting från en kolloidal lösning (Figur 2A).<ol>
<li>Krossa pulvret om puderpartikelaggregaten är för stora. Gör detta med en liten mortel och mortel (krossade aggregat ska < μm i storlek). Blanda en liten mängd (t.ex. ~0,005 mg, mängd som bestäms av erfarenhet) pulver i 2 ml lösningsmedel (t.ex. isopropanol eller etanol).</li>
		<li>Sonicate blandningen i cirka 5 min för att skapa en kolloidal suspension.</li>
...

<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 nuvarande arbetet demonstreras ett tillvägagångssätt för att utföra STEM-reaktioner på plats med och utan vattenånga. Det kritiska steget inom protokollet är E-chipberedning och upprätthållande av dess integritet under belastningsproceduren. Begränsningen av tekniken är a) provexemplarets storlek och dess geometri för att passa det nominella gapet på 5 μm mellan parade (MEMS)-baserade kiselmikrochipenheter samt b) ett totalt tryck som används i experimenten med vattenånga eftersom det hög...

Det finns ett behov av att få detaljerad information om hur ett material genomgår strukturella och kemiska förändringar vid reaktiv gasexponering och vid förhöjda temperaturer. In situ-sluten cellgasreaktion (CCGR) scanning transmission electronmikroskopi (STEM) utvecklades specifikt för att studera de dynamiska förändringar som sker i ett brett spektrum av materialsystem (t.ex. katalysatorer, strukturella material, kolnanorör etc.) när de utsätts för förhöjda temperaturer, olika gasformiga miljöer och tryck från vakuum till fulltatmosfärstryck 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Detta tillvägagångssätt kan vara fördelaktigt i flera fall, t.ex. i den accelererade utvecklingen av nästa generations katalysatorer som är viktiga för ett antal industriella omvandlingsprocesser, t.ex. över Ag-ZrO2/SiO213, katalysatorer för syrereduktionsreaktionen och väteutvecklingsreaktionen i bränslecellstillämpningar14,15, katalytisk CO2 hydrogenering16, metanoldehydrogenation till formaldehyd eller uttorkning till dimetyleter som använder antingen metallkatalysatorer eller flerväggiga kolnanorör i en metanolomvandlingsreaktion i närvaro av syre17. De senaste tillämpningarna av denna in situ-teknik för katalysforskning1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 har gett ny inblick i katalysator dynamiskaformförändringar 10,11,23, faceting7, tillväxt, och rörlighet8,20,24. Dessutom kan in situ CCGR-STEM användas för att undersöka högtemperaturoxidationsbeteendet hos strukturella material som utsätts för aggressiva miljöer, från gasturbinmotorer till nästa generations fissions- och fusionsreaktorer, där inte bara styrka, fraktursehet, svetsbarhet eller strålning är viktiga men också högtemperaturoxidationsbeständighet25,26,27,28,29. Specifikt för strukturella legeringar möjliggör in situ CCGR-STEM-experiment dynamisk spårning av diffusionsinducerad korngränsmigration under minskningsförhållanden9 och mätningar av oxidationskinetik vid hög temperatur5,6,30. Under flera årtionden före den senaste utvecklingen av CCGR-teknik genomfördes in situ-gasreaktionsstudier med hjälp av särskilda miljö-TEM(E-TEMs). En detaljerad jämförelse av E-TEM och CCGR-STEM har tidigare behandlats10. E-TEM-kapaciteten diskuteras därför inte vidare i det aktuella arbetet.
I detta arbete användes ett kommersiellt tillgängligt system(Table of Materials)bestående av ett datorstyrt grenrör (gasleveranssystem) och en särskilt utformad CCGR TEM-hållare som använder ett par mikroelektromekaniska (MEMS)-baserade kiselmikrochipenheter (t.ex. distanschips och "E-chip"-värmare (Table of Materials).In this work, a commercially available system ( Table of Materials ) bestående av ett datorstyrt grenrör (gasleveranssystem) och en specialdesignad CCGR TEM-hållare som använder ett par mikroelektromekaniska (MEMS)-baserade kiselmikrochipenheter (t.ex. distanschip och "E-chip" värmare(Materialförteckning)). Varje E-chip stöder ett amorft, elektrontransparent SixNy-membran. Distanschipet har ett 50 nm tjockt SixNy-membran med ett 300 x 300 μm2 visningsområde och 5 μm tjock epoxibaserad fotoresist (SU-8) "distanskontakter" som är mikrofabricerade för att ge en gasflödesbana och upprätthålla en fysisk förskjutning mellan de två parade mikrochipsen (Figur 1A). En del av E-chipet är täckt med en låg ledningsförmåga ~ 100 nm SiC keramiskt membran; membranet har en 3 x 2 matris med 8 μm diameter etsade hål överlappade av ett ~30 nm tjockt amorft SixNy-membran (SixNy-visningsområde) ( figur1A och figur 2D), genom vilket bilder registreras. E-chipet har en dubbel roll som både provstöd och värmare6. Au kontakter är mikrofabricerade på E-chip för att möjliggöra resistiv uppvärmning av SiC-membranet. Varje E-chip kalibreras med hjälp av infraröd strålning (IR) avbildningsmetoder(Materialförteckning)2 och har visat sig vara exakt inom ±5%31. Temperaturkalibreringen är oberoende av gassammansättningen och gastrycket, vilket ger oberoende kontroll över reaktionstemperaturerna under valda gasförhållanden. Fördelen med en tunnfilmsvärmare är att temperaturer upp till 1 000 °C kan uppnås inom millisekunder. För att utföra reaktionen placeras E-chipet på toppen av distanschipet, vilket skapar den slutna cellen "sandwich" som isolerar miljön runt provet från TEM-kolonnens höga vakuum. Fördelen med denna inställning är att reaktioner kan utföras från låga tryck upp till atmosfärstryck (760 Torr) med enstaka eller blandade gaser och under statiska eller flödesförhållanden. MEMS-anordningarna är säkrade med en klämma(figur 1B)som gör det möjligt att sätta in hållaren inom det mmstora gapet på objektivstångsstycket i ett avvikande korrigerat S/TEM-instrument(Materialförteckning)(figur 1C). Moderna S/TEM-hållare på plats inkluderar integrerade mikrovätskerör (kapillärer) som är anslutna till de yttre rostfria slangarna, som i sin tur är anslutna till gastillförselsystemet (grenrör). Ett elektroniskt styrsystem möjliggör kontrollerad leverans och flöde av reaktiv gas genom gascellen. Gasflödet och temperaturen drivs av ett anpassat arbetsflödesbaserat programvarupaket som tillhandahålls av tillverkaren(Materialförteckning)10,32. Programvaran styr tre gasinmatningsledningar, två interna experimentgasleveranstankar och en mottagningstank för gasflöde som återvänder från cellen under experimentet (Figur 1D).
På grund av materialens variabilitet och deras formfaktor fokuserar vi först på flera provdeponeringsmetoder på E-chipet och beskriver sedan protokoll för att utföra kvantitativa in situ/ operando-experiment med kontrollerad temperatur, gasblandning och flöde.

<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

Gasreaktioner som studeras av in situ-elektronmikroskopi kan användas för att fånga in de morfologiska och mikrokemiska omvandlingarna av material i realtid till atomnivå. In situ-studier av sluten gasreaktion (CCGR) som utförs med hjälp av (scanning) transmissionselektronmikroskopi (STEM) kan separera och identifiera lokaliserade dynamiska reaktioner, som är extremt utmanande att fånga med andra karakteriseringstekniker. För dessa experiment använde vi en CCGR-hållare som använder mikroelektromekaniska system (MEMS)-baserade värmemikrochips (nedan kallade "E-chips"). Det experimentella protokoll som beskrivs här beskriver metoden för att utföra in situ-gasreaktioner i torra och våta gaser i en avvikelsekorrigerad STEM. Denna metod finner relevans i många olika materialsystem, såsom katalys och högtemperaturoxidation av strukturella material vid atmosfärstryck och i närvaro av olika gaser med eller utan vattenånga. Här beskrivs flera provberedningsmetoder för olika materialformsfaktorer. Under reaktionen validerar masspektra som erhållits med ett RGA-system (Residual Gas Analyzer) med och utan vattenånga ytterligare gasexponeringsförhållanden under reaktioner. Att integrera en RGA med ett in situ CCGR-STEM-system kan därför ge kritisk insikt för att korrelera gassammansättningen med materialens dynamiska ytutveckling under reaktioner. In situ/operando-studier med detta tillvägagångssätt möjliggör detaljerad undersökning av de grundläggande reaktionsmekanismer och kinetik som uppstår vid specifika miljöförhållanden (tid, temperatur, gas, tryck), i realtid och vid hög rumslig upplösning.

Prover för MEMS-baserade gasreaktioner med slutna celler: Direkt pulverdeposition genom droppgjutning från en kolloidal lösning och genom en mask Beroende på vilket material som ska studeras finns det ett antal olika sätt att förbereda E-chips för in situ/operando CCGR-STEM-experiment. För att förbereda gascellen för katalysstudier krävs vanligtvis spridning av katalysatornanopartiklarna på E-chipet antingen från en kolloidal vätskeupphängning<strong class="...

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

Här presenterar vi ett protokoll för att utföra TEM-experiment med slutna gasreaktioner på plats samtidigt som vi beskriver flera vanliga provberedningsmetoder.

Utföra in Situ slutna-cell gasar reaktioner i överföringselektronmikroskopet

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

Fram till nyligen analyserade vi material före och efter vissa tester. Det finns dock ett behov av att få detaljerad information om hur material genomgår strukturella och kemiska förändringar under aggressiva miljöer vid förhöjda temperaturer. in situ sluten cell gas reaktion, CCGR, skanning överföring elektromikroskopi utvecklats specifikt för detta.För att studera de dynamiska förändringarna i realtid vid förhöjda temperaturer i en gasmiljö, upp till fullt atmosfärstryck i ett brett spektrum av materialsystem, såsom katalysatorer, strukturella material, kolnanorör och så vidare. Dessutom kan reaktionerna studeras i olika längdskalor, allt från mikron ner till atomskalanivå. Detta är mycket viktigt, för vid lägre förstoringar kan vi lära oss mycket om övergripande systembeteende och extrahera kinetisk information.På atomnivå kan vi lära oss om reaktionsmekanismer och kinetik som förekommer vid ytan samt de gränssnitt som är platsspecifika. Detta är verkligen anmärkningsvärt, att få bilder av atomupplösning vid atmosfärstryck, och det kan inte riktigt göras med några experimentella tekniker. Detta protokoll belyser hur man utför in situ sluten cell gas reaktion med hjälp av in situ elektromikroskopi.Det belyser också provberedning och dess utmaningar för olika material. Direkt pulverdeposition genom droppgjutning från en kolloidal lösning. Krossa pulvret om pulverpartiklarna är för stora.Blanda en liten mängd pulver och två milliliter lösningsmedel. Beloppet bestäms av experiment. Ultraljudslösning i fem minuter för att skapa en kolloidal suspension.Placera E-chippet på E-chip-fäst fixturen. Släpp suspensionen med en mikropipett direkt på E-chippet. Rengör guldkontakten med en absorberande papperspunkt medan du tittar på kasta ett stereomikroskop.Direkt pulverdeposition genom en mask. Placera ett nytt rent E-chip på E-chiphållarfixturen. Använd och maskera och placera den direkt på E-chip i fixturen.Använd toppplattan för att spänna ihop ett nytt rent E-chip och en mask i fixturen. Deponera en liten mängd av pulvret med en spatel direkt på silikonnitridmembranet i det nya rena E-chipet genom masken. Vibrera försiktigt fixturen för att skaka partikelerna ner till E-chippet.Detta kan göras med ultraljudsbehandling enhet och placera fixturen i torrbägare. Skaka av överflödigt pulver, dissekera systemet och inspektera placeringen av pulver på E-chipet. Depositionsmetoder genom antingen elektronstråleavdunstning, jon eller magnetronsputtring.Skapa en mönstermask med ett distanschip med kiselnitridmembran och kiselnitridmikroporöst TEM-fönster. Använd cyanoakryolatlim för att fästa på silikonnitridmikroporöst TEM-fönster med ansiktet nedåt över öppningen på 50 x 250 mikron, enligt tillverkarens rekommendation. Upprepa sedan proceduren för att förbereda så många mönstermasker som behövs för E-chipsen.Placera ett nytt rent E-chip på E-chip-armaturen. Placera mönstermasken på E-chippet. Täck över toppplattan och kläm fast den.Använd antingen elektronstrålens avdunstning, jonsputtring eller magnetronsputtringsteknik. Dissekera systemet och inspektera E-chipet med deponerat material. Fokuserad jonstråle eller FIB-fräsning.Förbered en TEM-lamell med FIB. Placera TEM-lamellen på E-chippet. Se till att du genom att fästa provet på E-chipet inte skadar silikonnitridmembranet.Förberedelse av CCGR-TEM-hållaren. Ladda ner önskad kalibreringsfil. Kontrollera E-chippets motstånd.Mät silikonkarbidvärmarens motstånd för att säkerställa att den ligger inom motståndsområdet för just den E-chipkalibrering som tillhandahålls av CCGR-tillverkaren. Ta bort klämman från hållarens överst. Rengör spetsen på CCGR-TEM-hållaren med hjälp av absorberande papperspunkter eller tryckluft, se till att inget skräp finns kvar på O-ringlundarna.Placera distanschipet i CCGR-TEM-hållaren. Placera E-chippet, där värmarkontakterna gör lämpliga anslutningar till de elektriska kontakterna med flexkabeln på hållaren. Vrid sedan de inställda skruvarna.Mät återigen motståndet hos kiselkarbidvärmaren efter montering av CCGR-TEM-hållaren för att säkerställa att den ligger inom motståndsområdet för just den E-chipkalibreringen enligt CCGR-tillverkarens anvisningar. Förberedelse av experimentell installation. Grädda och pumpa ner systemet över natten, antingen med eller utan att hållaren är ansluten.Ladda hållaren och anslut slangen. För experimentet, pumpa och rensa systemet med den inerta gasen. Till exempel två gånger från 100 Torr till 0,5 Torr.Förforma en slutpump och rensa från 100 Torr till 0.001 Torr. Kvarvarande gasanalysator. Under pump- och rensningsproceduren slår du på RGA-systemet för att värma upp glödtråden.Genom att integrera en RGA med ett slutet cellgasreaktorsystem på en stam, kan de kritiska mätningarna korrelera gassammansättningen med dynamisk ytutveckling av material under reaktioner. Kontinuerlig gasövervakning är avgörande för att utföra reaktioner på katalysatorer och konstruktionsmaterial med blandade gaser eller växlande gaser och tryck, särskilt när vattenånga ingår i gasblandningen. Fäst utluftningsgasen på VDS och vrid spakens ratt till avgaserna och vänd dig sedan till parkpositionen.Tryck på VDS genom att flöda inert gas tre gånger, eller tills det inte finns mer vätska. Vrid ratten till parkposition och fäst VDS på grenröret. Vrid ratten för att fylla läget och ta sedan bort utrensningsgasledningen.Ställ in ångtrycket på 18,7 Torr i gaskontrollprogramvaran. Pumpa VDS till vakuum, vilket är 0,1 Torr. Fyll VDS med vatten, som är 2 millimeter via spruta och slang.Observera att om högre renhetsånga behövs krävs ytterligare rensningssteg. Kör reaktionen. Se till att alla gaser är anslutna till grenröret.Använd atmosfärprogramvaran under namngivning, ställ in rätt gaser för reaktionen och spara radfilen. Under E-chip-uppsättningen väljer du rätt kalibreringsfil för E-chip och kör kalibrering. Under pump och rensning, se förberedelse av experimentell installation.Under Gaskontroll väljer du gassammansättningen. Under temperatur väljer du uppvärmningshastighet och måltemperatur. Starta experimentet.Börja flöda gas. Starta avbildningen. Registrera gassammansättning.Representativa resultat. Exempel på in situ CCGR-STEM resultat. Ljusa fält STEM-bilder visar ett exempel på denna ytutveckling av en platina nanopartikel på ett titanstöd när den utsätts för vattenånga.Strukturella förändringar i platinapartikeln visar omorganisering av struktur i samband med mindre formförändringar samtidigt som gassammansättningen övervakas. Avsluta experimentet. Stäng av temperaturen.Sluta flöda gas. Avsluta sessionen. sammanfattning. CCGR-STEM är till exempel fördelaktigt för en snabbare utveckling av nästa generations katalysatorer med hög hållbarhet, som är viktiga för ett antal katalytiska omvandlingsprocesser, såsom en katalytisk snabb pyrolysomvandling av etanol till N-butan och vidare till jetbränsle eller CO2-hydrogenerering och så vidare.Dessutom kan CCGR-STEM användas för att undersöka strukturmaterials högtemperaturoxidationsbeteende i aggressiva miljöer, för att efterlikna materials beteende som till exempel liknar gasturbinmotormiljöer eller nästa generations fissions- eller fusionsreaktorer.

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

Avslöja dynamiska processer av material i vätskor använder flytande Cell transmissionselektronmikroskop

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 Tidsberoende dielektriska genombrottet i transmissionselektronmikroskop: En möjlighet att förstå mekanismen Fel i Microelectronic 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

Omfattande karakterisering av Extended Defekter i Halvledarmaterial med en svepelektronmikroskop

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

Studera dynamiska processer av Nano stora objekt i Liquid använder Scanning transmissionselektronmikroskopi

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

Karaktärisering av ultra finkornig och nanokristallina material att använda Transmission Kikuchi Diffraction

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 metod för att erhålla seriell Ultrathin sektioner av mikroorganismer i transmissionselektronmikroskopi

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

Metoder Ex Situ och In Situ utredningar av strukturomvandlingar: fallet av kristallisation av metalliska glasögon

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

Skalbara Kvantintegrerade kretsar på supraledande tvådimensionell elektron gas 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

Ensiffriga Nanometer elektronstråle litografi med en Aberration-korrigerade skanning transmissionselektronmikroskop

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 ElectronMikroskopi med förspänning och tillverkning av asymmetriska tvärstänger baserade på blandade faser a-VOx