أداء في الموقع تفاعلات الغاز الخلية المغلقة في المجهر الإلكتروني انتقال

وهناك حاجة إلى الحصول على معلومات مفصلة عن كيفية تعرض المادة لتغيرات هيكلية وكيميائية في ظل التعرض التفاعلي للغاز وفي درجات حرارة مرتفعة. في الموقع تفاعل الغاز المغلق الخلية (CCGR) المسح المجهري انتقال الإلكترون (STEM) وضعت خصيصا لدراسة التغيرات الديناميكية التي تحدث في مجموعة واسعة من النظم المادية (على سبيل المثال، المواد الحفازة، المواد الإنشائية، الأنابيب النانوية الكربونية، الخ) عند تعرضها لدرجات حرارة مرتفعة، بيئات غازية مختلفة، وضغوط من الفراغ إلى الضغط الجوي الكامل^{1،2،3،4،5،6،7،8،9،10،11،12}. ويمكن أن يكون هذا النهج مفيدا في عدة حالات، على سبيل المثال، في التطوير المتسارع لمحفزات الجيل التالي التي تعتبر مهمة لعدد من عمليات التحويل الصناعي، مثل تحويل الإيثانول إلى n-butene بخطوة واحدة ag-ZrO₂/SiO₂¹³, محفزات لتفاعل تقليل الأكسجين وتفاعل تطور الهيدروجين في تطبيقات خلايا الوقود^14,15, تحفيز CO₂ الهدرجة¹⁶, مزيل الهيدروجين الميثانول إلى الفورمالديهايد أو الجفاف إلى ثنائي ميثيل الأثير التي تستخدم إما محفزات معدنية أو أنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران في تفاعل تحويل الميثانول في وجود الأكسجين¹⁷. التطبيقات الأخيرة لهذا الأسلوب في الموقع لأبحاث الحفز^{1،2،7،8،10،11،12،18،19،20،21،22} قدمت نظرة جديدة على التغيرات الديناميكية المحفزة الشكل^10،11،23، faceting⁷، النمو ، والتنقل^8،20،24. وعلاوة على ذلك، في الموقع CCGR-STEM يمكن استخدامها للتحقيق في سلوك الأكسدة في درجة الحرارة العالية من المواد الهيكلية التي تتعرض للبيئات العدوانية، من محركات توربينات الغاز إلى الجيل القادم من الانشطار ومفاعلات الانصهار، حيث ليس فقط القوة، صلابة الكسر، لحام، أو الإشعاع مهمة ولكن أيضا مقاومة الأكسدة عالية الحرارة^{25،26،27،28،29}. محددة للسبائك الهيكلية، في الموقع CCGR-STEM التجارب تسمح لتتبع ديناميكية من الهجرة الحد الحبوب الناجمة عن الانتشار في ظل ظروف الحد⁹ وقياسات الحركية الأكسدة في درجة حرارة عالية^5،6،30. قبل عدة عقود من التطور الأخير لتقنيات CCGR، أجريت دراسات تفاعل الغاز في الموقع باستخدام TEMs بيئية مخصصة (E-TEMs). وقد سبق تناول¹⁰مقارنة مفصلة بين E-TEM وCCGR-STEM؛ لذلك، لا تتم مناقشة قدرات E-TEM بشكل أكبر في العمل الحالي.

في هذا العمل، تم استخدام نظام متاح تجاريا(جدول المواد)يتألف من متعددة التي تسيطر عليها الكمبيوتر (نظام توصيل الغاز) وحامل CCGR TEM مصممة خصيصا التي تستخدم زوج من الأجهزة الدقيقة الكهروميكاميكولوجية (MEMS) رقاقة السيليكون (على سبيل المثال، رقاقة المسافة وسخان “رقاقة E”(جدول المواد)). تدعم كل رقاقة E غشاء Si_xN_y غير متبلور وشفاف إلكترون. رقاقة المسافة لديها 50 نانومتر سميكة Si_xN_{y غشاء} مع 300 × 300 ميكرومتر² منطقة عرض و 5 ميكرومتر سميكة epoxy القائم على الكواتر الضوئي (SU-8) “متباعد” الاتصالات التي يتم microfabricated لتوفير مسار تدفق الغاز والحفاظ على تعويض المادية بين اثنين من رقائق مقترنة(الشكل 1A). وتغطي جزء من رقاقة E مع الموصلية منخفضة ~ 100 نانومتر SiC غشاء السيراميك; يحتوي الغشاء على صفيف 3 × 2 من ثقوب محفورة قطرها 8 ميكرومتر تتداخل مع غشاء غير متبلور سميك ~ 30 نانومتر_×N_y (منطقة عرض Si_xN_y) (الشكل 1A والشكل 2D) ، والتي يتم من خلالها تسجيل الصور. رقاقة E يخدم دورا مزدوجا على حد سواء دعم العينة وسخان⁶. يتم تصنيع اتصالات Au على الشريحة E للسماح بالتدفئة المقاومة لغشاء SiC. يتم معايرة كل رقاقة إلكترونية باستخدام الأشعة تحت الحمراء (IR) طرق التصوير(جدول المواد)² وقد ثبت أن تكون دقيقة في غضون ±5٪³¹. معايرة درجة الحرارة مستقلة عن تركيبة الغاز والضغط، وبالتالي توفير سيطرة مستقلة على درجات حرارة التفاعل تحت أي ظروف الغاز المختار. فائدة سخان رقيقة الفيلم هو أن درجات الحرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية يمكن الوصول إليها في غضون مللي ثانية. من أجل تنفيذ رد الفعل ، يتم وضع الشريحة الإلكترونية على الجزء العلوي من رقاقة المسافة ، مما يخلق “ساندويتش” الخلية المغلقة التي تعزل البيئة حول العينة من الفراغ العالي لعمود TEM. وميزة هذا الإعداد هو أن ردود الفعل يمكن أن يؤديها من الضغوط المنخفضة تصل إلى الضغط الجوي (760 تور) مع غازات واحدة أو مختلطة وفي ظل ظروف ثابتة أو تدفق. يتم تأمين أجهزة MEMS مع المشبك(الشكل 1B)الذي يسمح لحامل ليتم إدراجها داخل الفجوة مم الحجم من قطعة القطب عدسة الهدف في أداة S / TEM تصحيح انحراف (جدول المواد) (الشكل 1C). وتشمل حاملات الأنابيب الحديثة في الموقع S/TEM أنابيب متكاملة للسوائل الدقيقة (الشعيرات الدموية) متصلة بأنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ الخارجية، والتي ترتبط بدورها بنظام توصيل الغاز (متعدد الجوانب). يسمح نظام التحكم الإلكتروني بتوصيل وتدفق الغاز المتفاعل من خلال خلية الغاز. يتم تشغيل تدفق الغاز ودرجة الحرارة من خلال حزمة برامج مخصصة تعتمد على سير العمل مقدمة من الشركةالمصنعة( جدول المواد )^10،32. يتحكم البرنامج في ثلاثة خطوط لإدخال الغاز وخزانين داخليين لتوصيل الغاز التجريبي وخزان استقبال لتدفق الغاز العائد من الخلية أثناء التجربة(الشكل 1D).

نظرا لتقلب المواد وعامل شكلها ، نركز أولا على العديد من طرق ترسب العينات على الشريحة الإلكترونية ، ثم نحدد بروتوكولات لإجراء تجارب كمية في الموقع / الأوبراندو مع درجة الحرارة التي يتم التحكم فيها وخلط الغاز وتدفقه.