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

Bu araştırma öncelikle ABD Enerji Bakanlığı (DOE) için UT-Battelle LLC tarafından yönetilen Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı 'nın (ORNL) Laboratuvara Yönelik Araştırma ve Geliştirme Programı tarafından desteklenmiştir. Yerinde gaz hücresine su buharı sokma geliştirmenin bir kısmı, UT-Battle, LLC ile DE-AC05-00OR22725 (ORNL) sözleşmesi kapsamında ve Enerji Malzemeleri Ağı (EMN) üyesi Biyoenerji için Kimyasal Katalizör (ChemCatBio) Konsorsiyumu ile işbirliği içinde ABD DOE, Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi, Biyo-Enerji Teknolojileri Ofisi tarafından desteklendi. Bu çalışma kısmen, Alliance for Sustainable Energy, LLC tarafından işletilen Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı tarafından, Sözleşme No. DE-AC36-08GO28308. Mikroskopinin bir kısmı, DOE Bilim Kullanıcı Tesisi Ofisi olan Nanofaz Malzeme Bilimleri Merkezi'nde (CNMS) gerçekleştirildi. Yerinde STEM yeteneklerinin erken gelişimi, İtiş Malzemeleri Programı, Araç Teknolojileri Ofisi, ABD DOE tarafından desteklendi.  Yararlı teknik tartışmalar için Protochips Inc.'den Dr. John Damiano'ya teşekkür ederiz. Yazarlar, film prodüksiyona destek için ORNL yapım ekibi Rosemary Walker ve Kase Clapp'e teşekkür eder. Bu makalede ifade edilen görüşler mutlaka DOE veya ABD Hükümeti'nin görüşlerini temsil etmez. ABD Hükümeti, makaleyi yayınlanmak üzere kabul ederek, ABD Hükümeti'nin bu çalışmanın yayınlanmış formunu yayınlamak veya çoğaltmak veya başkalarının bunu yapmasına izin vermek için münhasır olmayan, ödenmiş, geri alınamaz, dünya çapında bir lisansa sahip olduğunu kabul eder.

1. E-çip hazırlığı
<ol><li>Kolloidal bir çözeltiden damla dökümü ile doğrudan toz birikimi (Şekil 2A).<ol>
<li>Toz partikül agregaları çok büyükse tozu ezin. Bunu küçük bir harç ve pestle kullanarak yapın (ezilmiş agregalar <5 μm boyutunda olmalıdır). Solventin 2 mL'sinde (örneğin, izopropanol veya etanol) az miktarda (örneğin, ~0,005 mg, deneyime göre belirlenen miktar) tozu karıştırın.</li>
		<li>Kolloidal süspansiyon oluşturmak için karışımı yak...

<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>

Mevcut çalışmada su buharı ile ve susuz in situ STEM reaksiyonları gerçekleştirmek için bir yaklaşım gösterilmiştir. Protokoldeki kritik adım, E-çip hazırlama ve yükleme prosedürü sırasında bütünlüğünü korumadır. Tekniğin sınırlaması (a) eşleştirilmiş (MEMS) bazlı silikon mikroçip cihazları arasındaki nominal 5-μm boşluğuna uyacak numune boyutu ve geometrisinin yanı sıra (b) en yüksek toplam basınç su buharı miktarına bağlı olduğundan su buharı ile yapılan den...

Bir malzemenin reaktif gaza maruz kalma altında ve yüksek sıcaklıklarda yapısal ve kimyasal değişikliklere nasıl maruz kaldığı hakkında ayrıntılı bilgi edinmeye ihtiyaç vardır. In situ kapalı hücreli gaz reaksiyonu (CCGR) tarama iletim elektron mikroskopisi (STEM), çok çeşitli malzeme sistemlerinde meydana gelen dinamik değişiklikleri incelemek için özel olarak geliştirilmiştir (örneğin, katalizörler, yapısal malzemeler, karbon nanotüpler, vb.) yüksek sıcaklıklara, farklı gaz ortamlarına ve vakumdan tam atmosferik basınca 1 , 2,3, 4 ,5,6,7,8,9,10,11,12basınçlarına maruz kaldığında. Bu yaklaşım, örneğin, çeşitli durumlarda yararlı olabilir. etanol'ün n-'ye tek adımlı dönüşümü gibi bir dizi endüstriyel dönüşüm süreci için önemli olan yeni nesil katalizörlerin hızlandırılmış gelişiminde Ag-ZrO2/SiO 213üzerindeki butenler, yakıt hücresi uygulamalarında oksijen azaltma reaksiyoni ve hidrojen evrim reaksiyon için katalizörler14,15,katalitik CO2 hidrojenasyon16, metanol dehidrojenasyonu formaldehit veya dehidratasyon için difenil eter metal katalizörler veya çok duvarlı karbon nanotüpler oksijen varlığında bir metanol dönüşüm reaksiyonukullanın 17. Kataliz araştırması için bu in situ tekniğinin son uygulamaları1,2,7,8,10,11,12,18,19,20,21,22 katalizör dinamik şekil değişiklikleri10,11,23,7 , büyüme ve hareketlilik8, 20,24hakkında yeni bilgiler sağlamıştır. Ayrıca, in situ CCGR-STEM, gaz türbini motorlarından yeni nesil fisyon ve füzyon reaktörlerine kadar agresif ortamlara maruz kalan yapısal malzemelerin yüksek sıcaklık oksidasyon davranışını araştırmak için kullanılabilir, burada sadece mukavemet, kırılma tokluğu, kaynaklanabilirlik veya radyasyon değil, aynı zamanda yüksek sıcaklık oksidasyon direnci25,26,27,28,29. Yapısal alaşımlara özgü in situ CCGR-STEM deneyleri, 9 veyükseksıcaklıktaoksidasyon kinetiği ölçümleri9 azaltılarak difüzyon kaynaklı tahıl sınırı göçünün dinamik olarak izlenmesinisağlar. CCGR teknolojilerinin son gelişiminden önceki on yıllar boyunca, özel çevresel TEM'ler (E-TİM'ler) kullanılarak yerinde gaz reaksiyonu çalışmaları yapılmıştır. E-TEM ve CCGR-STEM'in ayrıntılı bir karşılaştırması daha önceele alınmıştır 10; bu nedenle, E-TEM yetenekleri mevcut çalışmada daha fazla tartışılmamaktadır.
Bu çalışmada, bilgisayar kontrollü bir manifold(gazdağıtım sistemi) ve bir çift mikroelektromekanik (MEMS) tabanlı silikon mikroçip cihazı (örneğin, ara parça çipi ve "E-çip" ısıtıcı (Malzeme Masası) kullanan özel olarak tasarlanmış bir CCGR TEM tutucudan oluşan ticari olarak kullanılabilen bir sistem(Malzeme Masası)kullanılmıştır. Her E-çip amorf, elektron saydam SixNy membran destekler. Ara parça çipi, 300x300μm 2 görüntüleme alanına sahip 50 nm kalınlığında si x Ny membran ve iki eşleştirilmiş mikroçip arasında bir gaz akış yolu sağlamak ve fiziksel bir denge sağlamak için mikrofabrik olan 5 μm kalınlığında epoksi bazlı fotoresist (SU-8) "aralayıcı" kontaktlarına sahiptir (Şekil 1A). E-çipin bir kısmı düşük iletkenlik ~100 nm SiC seramik membran ile kaplıdır; membran, görüntülerin kaydedildiği ~30 nm kalınlığında amorf Si x N y membran (SixN y görüntüleme alanı) (Şekil 1A ve Şekil 2D)ile üst üste binen 3x2 dizi 8μm çapında kazınmış deliklere sahiptir. E-çip hem numune desteği hem de ısıtıcı6olarak ikili bir rol oynar. Au kontakları, SiC zarının dirençli ısınmasına izin vermek için E-çip üzerine mikrofebriktir. Her E-çip kızılötesi radyasyon (IR) görüntüleme yöntemleri (Malzeme Tablosu) 2 kullanılarak kalibre edilir ve %5 31± doğru olduğu gösterilmiştir. Sıcaklık kalibrasyonu gaz bileşim ve basıncından bağımsızdır, böylece seçilen gaz koşullarında reaksiyon sıcaklıkları üzerinde bağımsız kontrol sağlar. İnce filmli bir ısıtıcının yararı, 1.000 °C'ye kadar sıcaklıklara milisaniyeler içinde ulaşılabilmesidir. Reaksiyonu gerçekleştirmek için, E çip ara parça çipinin üstüne yerleştirilir ve numunenin etrafındaki ortamı TEM sütununun yüksek vakumundan izole eden kapalı hücreli "sandviç" oluşturulur. Bu kurulumun avantajı, reaksiyonların düşük basınçlardan atmosferik basınca (760 Torr) kadar tek veya karışık gazlarla ve statik veya akış koşullarında yapılabilmesidir. MEMS cihazları, tutucunun objektif lens direği parçasının mm boyutundaki boşluğuna sapma düzeltilmiş bir S/TEM cihazına (Malzeme Masası) (Şekil 1C)yerleştirilmesini sağlayan bir kelepçe ( Şekil1B) ile sabitlenir. Modern yerinde S/TEM tutucular, harici paslanmaz çelik boruya bağlı entegre mikro akışkan boruları (kılcal damarlar) içerir ve bu da gaz dağıtım sistemine (manifold) bağlanır. Elektronik kontrol sistemi, gaz hücresinden reaseptan gazın kontrollü bir şekilde ulaştırılmasına ve akışına izin verir. Gaz akışı ve sıcaklığı, üretici (Malzeme Tablosu)10,32 tarafından sağlanan özel bir iş akışı tabanlı yazılım paketi ileçalıştırılır. Yazılım, deney sırasında hücreden dönen gaz akışı için üç gaz giriş hattını, iki dahili deneysel gaz dağıtım tankını ve bir alıcı tankı kontrol ediyor (Şekil 1D).
Malzemelerin değişkenliği ve form faktörleri nedeniyle, önce E-çip üzerindeki birkaç numune biriktirme yöntemine odaklanıyoruz, daha sonra kontrollü sıcaklık, gaz karıştırma ve akış ile nicel yerinde/operando deneyleri yapmak için protokolleri özetliyoruz.

<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

Yerinde elektron mikroskopisi ile incelenen gaz reaksiyonları, atom seviyesine kadar uzunluk ölçeklerinde malzemelerin gerçek zamanlı morfolojik ve mikrokimyasal dönüşümlerini yakalamak için kullanılabilir. (Tarama) iletim elektron mikroskopisi (STEM) kullanılarak gerçekleştirilen yerinde kapalı hücreli gaz reaksiyonu (CCGR) çalışmaları, diğer karakterizasyon tekniklerini kullanarak yakalanması son derece zor olan lokalize dinamik reaksiyonları ayırabilir ve tanımlayabilir. Bu deneyler için mikroelektromekanik sistemleri (MEMS) tabanlı ısıtma mikroçiplerini (bundan böyle "E-çipler" olarak anılacaktır) kullanan bir CCGR tutucu kullandık. Burada açıklanan deneysel protokol, sapma düzeltilmiş bir STEM'de kuru ve ıslak gazlarda yerinde gaz reaksiyonları gerçekleştirme yöntemini detaylandırmamaktadır. Bu yöntem, atmosferik basınçta ve su buharı olan veya olmayan çeşitli gazların varlığında kataliz ve yapısal malzemelerin yüksek sıcaklık oksidasyonu gibi birçok farklı malzeme sisteminde alaka bulur. Burada, çeşitli malzeme form faktörleri için çeşitli örnek hazırlama yöntemleri açıklanmaktadır. Reaksiyon sırasında, su buharı olan ve olmayan artık gaz analizörü (RGA) sistemi ile elde edilen kütle spektrumları, reaksiyonlar sırasında gaz maruziyet koşullarını daha da doğrular. Bu nedenle, bir RGA'yı yerinde bir CCGR-STEM sistemiyle entegre etmek, gaz bileşimini reaksiyonlar sırasında malzemelerin dinamik yüzey evrimi ile ilişkilendirmek için kritik bir içgörü sağlayabilir. Bu yaklaşımı kullanan in situ/operando çalışmaları, belirli çevresel koşullarda (zaman, sıcaklık, gaz, basınç), gerçek zamanlı ve yüksek mekansal çözünürlükte meydana gelen temel reaksiyon mekanizmalarının ve kinetiğin ayrıntılı olarak araştırılmasına izin verir.

MEMS Bazlı Kapalı Hücreli Gaz Reaksiyonları için Örnekler: Kolloidal bir çözeltiden ve bir maskeden damla dökümü ile doğrudan toz birikimi Çalışılacak malzemeye bağlı olarak, E-çipleri yerinde/operando CCGR-STEM deneylerine hazırlamanın bir dizi farklı yolu vardır. Gaz hücresinin kataliz çalışmaları için hazırlanması tipik olarak katalizör nanopartiküllerinin kolloidal sıvı süspansiyonundan(Şekil 2A)veya do...

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

Burada, yaygın olarak kullanılan birkaç numune hazırlama yöntemini detaylandırırken in situ TEM kapalı hücreli gaz reaksiyonu deneyleri yapmak için bir protokol sunuyoruz.

İletim Elektron Mikroskobunda In Situ Kapalı Hücreli Gaz Reaksiyonlarının Gerçekleştirilmesi

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

Yakın zamana kadar, belirli testlerin öncesinde ve sonrasında malzemeleri analiz ettik. Bununla birlikte, malzemenin yüksek sıcaklıklarda agresif ortamlarda yapısal ve kimyasal değişikliklere nasıl maruz kaldıklarına dair ayrıntılı bilgi edinmeye ihtiyaç vardır. in situ kapalı hücreli gaz reaksiyonu, CCGR, tarama iletim elektromikroskopisi bunun için özel olarak geliştirilmiştir.Katalizörler, yapısal malzemeler, karbon nanotüpler vb. Ayrıca, reaksiyonlar mikronlardan atomik ölçek seviyesine kadar herhangi bir yerde farklı uzunluk ölçeklerinde incelenebilir. Bu çok önemlidir, çünkü daha düşük büyütmelerde genel sistem davranışı hakkında çok şey öğrenebilir ve kinetik bilgileri ayıklayabiliriz.Atomik ölçek seviyesindeyken, yüzeyde meydana gelen reaksiyon mekanizmaları ve kinetiklerin yanı sıra bölgeye özgü arayüzler hakkında bilgi edinebiliriz. Bu gerçekten dikkat çekici, atmosferik basınçta atomik çözünürlük görüntüleri elde etmek için, ve gerçekten herhangi bir deneysel teknikle yapılamaz. Bu protokol, in situ elektromikroskop kullanılarak in situ kapalı hücreli gaz reaksiyonu nasıl gerçekleştirildiğini vurgulamaktadır.Ayrıca numune hazırlamayı ve farklı malzemeler için zorluklarını vurgulamaktadır. Kolloidal bir çözeltiden damla dökümü ile doğrudan toz birikimi. Toz parçacıkları çok büyükse tozu ezin.Az miktarda toz ve iki mililitre çözücü karıştırın. Miktar deneylerle belirlenir. Kolloidal süspansiyon oluşturmak için beş dakika boyunca sonicate çözümü.E çipi E-çip tutma fikstürüne yerleştirin. Bir mikro pipet kullanarak süspansiyonu doğrudan E-çipin üzerine bırakın. Stereo mikroskop atarken altın kontağı emici bir kağıt noktasıyla temizleyin.Bir maske aracılığıyla doğrudan toz birikimi. E-çip tutma fikstürüne yeni bir temiz E-çip yerleştirin. Kullanın ve maskelayın ve doğrudan fikstür içindeki E-çipe yerleştirin.Fikstür içinde yeni bir temiz E-çip ve bir maskeyi birbirine kenetlemek için üst plakayı kullanın. Maske aracılığıyla yeni temiz E-çipin silikon nitrür zarı üzerine doğrudan bir spatula kullanarak az miktarda toz biriktirin. Parçacıkları E-çipe kadar sallamak için fikstürü hafifçe titreştirin.Bu sonication ünitesi ve kuru beher fikstür yerleştirme ile yapılabilir. Fazla tozu silkeleyin, sistemi dağıtın ve tozun E-çipe yerleştirilmesini inceleyin. Elektron ışını buharlaşması, iyon veya magnetron sputtering ile biriktirme yöntemleri.Silikon nitrür membran ve silikon nitrür mikro gözenekli TEM pencereli bir ara parça çipi kullanarak bir desen maskesi oluşturun. Silikon nitrür mikro gözenekli TEM penceresine, üreticinin tavsiyesine uyarak 50'ye 250 mikron açıklığın üzerine yüzüstü takmak için siyanokrelat tutkal kullanın. Ardından, E-çipler için gerektiği kadar desen maskesi hazırlamak için prosedürü tekrarlayın.E-çip fikstürüne yeni bir temiz E-çip yerleştirin. Desen maskesini E çipinin üzerine yerleştirin. Üst plakayı örtün ve kelepçeleyin.Elektron ışını buharlaştırma, iyon sputtering veya magnetron sputtering biriktirme tekniği kullanın. Sistemi dağıtın ve E çipi biriken malzemeyle inceleyin. Odaklanmış iyon ışını veya FIB frezeleme.FIB kullanarak bir TEM lamella hazırlayın. TEM lamelini E-çipe yerleştirin. Numuneyi E-çipe takarak silikon nitrür zarı zarar vermediklerden emin olun.CCGR-TEM tutucusunun hazırlanması. İstediğiniz kalibrasyon dosyasını indirin. E-çipin direncini kontrol et.CCGR üreticisi tarafından sağlanan belirli bir E-çip kalibrasyonu için direnç aralığında olduğundan emin olmak için silikon karbür ısıtıcının direncini ölçün. Tutucunun üstünden kelepçeyi çıkarın. CCGR-TEM tutucunun ucunu emici kağıt noktaları veya basınçlı hava kullanarak temizleyin ve O halka bahçelerinde enkaz kalmadığından emin olun.Ara parça çipini CCGR-TEM tutucusuna yerleştirin. E-çipi, ısıtıcı kontakları tutucudaki esnek kablo ile elektrik kontaklarına uygun bağlantılar yaparak yerleştirin. Ardından set vidalarını tork ederek.CCGR üreticisi tarafından sağlanan belirli bir E-çip kalibrasyonu için direnç aralığında olduğundan emin olmak için CCGR-TEM tutucuyu monte ettikten sonra silikon karbür ısıtıcının direncini tekrar ölçün. Deneysel kurulumun hazırlanması. Tutucu bağlı olsun ya daması olmadan gece boyunca sistemi pişirin ve pompalayın.Tutucuyu yükleyin ve boruyu bağlayın. Deney için, sistemi inert gazla pompalayın ve temizleyin. Örneğin, 100 Torr'dan 0,5 Torr'a iki kez.Son pompayı önceden biçimlendir ve 100 Torr'dan 0.001 Torr'a kadar temizle. Artık gaz analizörü. Pompalama ve temizleme işlemi sırasında, filamenti ısıtmak için RGA sistemini açın.Bir RGA'yı bir gövde üzerinde yerinde kapalı hücre gazı reaktör sistemi ile entegre etmek, gaz bileşimini reaksiyonlar sırasında malzemelerin dinamik yüzey evrimi ile ilişkilendirmek için kritik ölçümler sağlar. Sürekli gaz izleme, katalizörler ve yapısal malzemeler üzerinde karışık gazlarla veya alternatif gazlar ve basınçlarla reaksiyonlar gerçekleştirmek ve özellikle gaz karışımına su buharı dahil edildiğinde gereklidir. Temizleme gazını VDS'ye takın ve kol düğmesini egzoza çevirin, ardından park konumuna dönün.VDS'ye üç kez inert gaz akarak veya daha fazla sıvı bulunmayana kadar basınç basın. Düğmeyi park konumuna getirin ve VDS'yi manifolda takın. Pozisyonu doldurmak için düğmeyi çevirin ve ardından gaz hattını temizlemeyi kaldırın.Gaz kontrol yazılımında buhar basıncını 18,7 Torr olarak ayarlayın. VDS'yi vakuma pompalayın, bu da 0,1 Torr'dur. VDS'yi şırınnak ve boru ile 2 milimetre olan suyla doldurun.Daha yüksek saflık buharı gerekiyorsa, ek temizleme adımları gerektiğini unutmayın. Reaksiyona giriyoruz. Tüm gazların manifolda bağlı olduğundan emin olun.Adlandırma altındaki atmosfer yazılımını kullanarak, reaksiyon için doğru gazları ayarlayın ve satır dosyasını kaydedin. E-çip kurulumu altında, E-çip için doğru kalibrasyon dosyasını seçin ve kalibrasyonu çalıştırın. Pompa ve tasfiye altında deneysel kurulumun hazırlanmasına bakın.Gaz kontrolü altında gaz bileşimini seçin. Sıcaklık altında, ısıtma oranını ve hedef sıcaklığı seçin. Deneye başlayın.Gaz akmaya başlayın. Görüntülemeye başlayın. Gaz bileşimini kaydedin.Temsili sonuçlar. Yerinde CCGR-STEM sonuçları örneği. Parlak alan STEM görüntüleri, su buharı maruz kaldığında titanyum desteği üzerindeki platin nano parçacığın bu yüzey evriminin bir örneğini göstermektedir.Platin partiküldeki yapısal değişiklikler, gaz bileşimini izlerken küçük şekil değişiklikleriyle ilişkili yapının yeniden düzenlendiğini gösterir. Deneyi bitirin. Sıcaklığı kapatın.Gaz akışını durdurun. Oturumu sonlandır. özet. Örneğin CCGR-STEM, etanollerin N-bütan'a ve jet yakıtına veya CO2 hidrojenerasyonuna katalitik hızlı piroliz tek adımlı dönüşümü gibi bir dizi katalitik dönüşüm işlemi için önemli olan yüksek dayanıklılığa sahip yeni nesil katalizörlerin hızlandırılmış gelişimi için faydalıdır.Ayrıca CCGR-STEM, agresif ortamlarda yapısal malzemelerin yüksek sıcaklık oksidasyon davranışını araştırmak, örneğin gaz türbini motor ortamlarına veya yeni nesil fisyon veya füzyon reaktörlerine benzer malzemelerin davranışını taklit etmek için kullanılabilir.

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

Sıvı Hücre Transmisyon Elektron Mikroskobu kullanarak Sıvılarda Malzemelerin Dinamik Süreçler Revealing

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

Transmisyon Elektron Mikroskobu Situ Zamana bağlı Dielektrik Dağılımı In: Bir imkanı Mikroelektronik aygıtlar Başarısızlık Mekanizması Anlayın

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

Bir Tarama Elektron Mikroskobu tarafından Yarıiletken Malzemelerin Genişletilmiş Kusur Kapsamlı Karakterizasyonu

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

Tarama Transmisyon Elektron Mikroskobu kullanılarak Sıvı Nano-ölçekli Nesnelerin dinamik Süreçlerinin İncelenmesi

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

İletim Kikuchi difraksiyonu kullanılarak ultra-ince taneli ve Nanokristal Malzemelerin Karakterizasyonu

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

Transmisyon elektron mikroskobu mikroorganizmaların seri Ultrathin bölümler elde etmek için bir yöntem

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

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

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

Ex Situ ve yapısal dönüşümleri in Situ soruşturma yöntemleri: Metalik gözlük kristalleşme olgusu

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

Superiletken Iki boyutlu elektron gazı platformunda ölçeklenebilir kuantum entegre devreler

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

Tek basamaklı nanometre elektron ışını litografi bir sapma düzeltilmiş tarama transmisyon elektron mikroskobu ile

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