In Situ Charakterisierung von Böhmit Teilchen im Wasser mit flüssigem SEM

Das übergeordnete Ziel dieses in situ scannenden Elektronenmikroskopie-Bildgebungsverfahrens für Flüssigkeiten ist es, technisches Know-how für die effiziente Abbildung und Analyse von Partikeln in Flüssigkeiten im konventionellen Hochvakuum-REM unter Verwendung eines vakuumkompatiblen Mikrofluidikmoduls bereitzustellen. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Mikroskopie und Mikroanalyse zu beantworten, z. B. wie man die sich entwickelnde Partikelgröße und Morphologie charakterisiert, die auf Umweltveränderungen reagieren. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir polydispergierte Partikel direkt in Flüssigkeit visualisieren können, ohne die Probe im Hochvakuummodus zu trocknen oder einzufrieren und auch ohne auf Umwelt-REM zurückgreifen zu müssen.

Die Implikation dieser Technik erstreckt sich auf die effiziente Analyse der verschiedenen flüssigen Materialien und der biologischen Proben mit REM, da viele von ihnen nur in Flüssigkeit funktionieren oder existieren. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da einfache Einbettungs- und In-situ-Bildgebungsschritte schwer zu erlernen sind, da sie sich von normalen Feststoffproben unterscheiden. Beginnen Sie dieses Verfahren mit der Kohlenstoffbeschichtung des Systems für die Analyse an der Flüssigkeitsvakuumschnittstelle (SLAVI-Gerät), wie im Protokoll des Technikers beschrieben.

Die Montage des mikrofluidischen Geräts auf dem REM-Tisch ist für den Erfolg der In-situ-Flüssig-REM-Analyse von entscheidender Bedeutung. Stellen Sie sicher, dass das Gerät ordnungsgemäß geerdet und gesichert ist, um den Ladeeffekt vor dem Experiment zu minimieren. Um das SAVI-Gerät auf dem REM-Tisch zu montieren, öffnen Sie nach Abschluss der Entlüftung zunächst vorsichtig die Tür der REM-Probenkammer.

Wählen Sie den REM-Probenhalter aus. Befestigen Sie den Halter mit der entsprechenden Schraube und dem Inbusschlüssel in der Mitte des Tisches. Legen Sie zwei Streifen doppelseitiges Kohleband auf den Probenhalter.

Kleben Sie dann das SAVI-Gerät mit der Silikonnitrid-Membranseite nach oben auf das auf der Halterung platzierte Carbonband. Fixieren Sie den SALVI sicher auf dem Probenhalter, indem Sie zwei zusätzliche Streifen einseitiges Kupferband verwenden, um den SALVI PDMS-Block mit dem REM-Probenhalter zu verbinden. Verwenden Sie zusätzlich die Kupferbänder, um den Siliziumnitrid-Rahmen und den Metallprobenhalter zu verbinden.

Achten Sie darauf, dass das Klebeband die Siliziumnitrid-Membran nicht vollständig bedeckt. Um die Probenkammer nach unten zu pumpen, schließen Sie die Tür der Probenkammer, wählen Sie den Hochvakuummodus in der REM-Software-GUI unter der Strahlsteuerungsseite und klicken Sie auf die Schaltfläche Pumpe auf der Strahlsteuerungsseite, um das Vakuumieren zu starten. Üben Sie von Hand Druck auf die Kammertür aus, bis das gewünschte Vakuum erreicht ist.

Als nächstes stellen Sie Aperturen in der Siliziumnitridmembran mit fokussiertem Ionenstrahl oder FIB her, wie im Protokoll der Technologie beschrieben. Schalten Sie nach dem Verfahren sowohl den Elektronenstrahl als auch den Ionenstrahl aus, um die Kammer zu entlüften, indem Sie auf den Strahl klicken, wenn der entsprechende Strahlabbildungsbereich aktiviert ist. Klicken Sie auf der Strahlsteuerungsseite auf Entlüftung, um die Probenkammer zu entlüften.

Öffnen Sie vorsichtig die Tür der REM-Kammer, nachdem sie vollständig entlüftet ist, und lassen Sie das SAVI-Gerät so auf der Bühne, wie es sich befindet. Ziehen Sie einen Milliliter entionisiertes Wasser in eine sterile Spritze und verbinden Sie die Spritze mit einem Adapter aus Polytetrafluorethylen-Schlauch mit dem Einlass des mikrofluidischen Geräts. Injizieren Sie die Flüssigkeit langsam für drei bis fünf Minuten.

Wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal mit einem Milliliter 10 Mikrogramm Aluminiumoxyhydroxid pro Milliliter, um sicherzustellen, dass die Konzentration der Probe nicht durch das vorgeladene deionisierte Wasser verdünnt wird. Entfernen Sie nach der Injektion die Spritze. Verbinden Sie den Einlass und Auslass von SALVI mit einer Polyetheretherketonverbindung.

Trocknen Sie alle Flüssigkeiten außerhalb des SALVI mit Labortüchern. Wenn sich Blasen im Schlauch oder Mikrokanal befinden, wiederholen Sie die Probeninjektion, bis keine Blasen mehr im Schlauch zu sehen sind. Um Bilder mit dem ETD- und dem Sekundärelektronenmodus aufzunehmen, schließen Sie zuerst die Probenkammertür.

Nachdem Sie wie zuvor das gewünschte Vakuum an der Kammertür eingestellt haben, aktivieren Sie den Elektronenstrahl-Bildgebungsbereich, indem Sie auf das Pausensymbol in der Symbolleiste klicken. Schalten Sie den Elektronenstrahl ein, indem Sie auf der Seite zur Strahlsteuerung auf die Schaltfläche "Strahl ein" klicken. Wählen Sie den ETD- und den Sekundärelektronenmodus für die Bildgebung aus dem Dropdown-Menü des Detektors aus.

Bei der Auswahl der optimalen Bedingungen ist es sehr wichtig, qualitativ hochwertige Bilder erzielen zu können. In dieser Arbeit zeigen wir Ihnen eine Reihe von Bedingungen, die für eine Sekundärelektronenabbildung von leichten Elementen wie Aluminiumsilizium geeignet sind. Bei der Analyse anderer Elemente wie Eisen und Nickel sollten die Betriebsbedingungen geändert werden, um die Sekundärelektronenabbildung zu optimieren.

Stellen Sie die Beschleunigungsspannung auf acht Kiloelektronenvolt und den Strahlstrom auf ca. 0,47 Nanoampere aus den entsprechenden Listenfeldern ein, die in der GUI-Symbolleiste im Bereich der Elektronenstrahlbildgebung angezeigt werden. Legen Sie den Arbeitsabstand auf sieben Millimeter fest, indem Sie sieben Millimeter in das Textfeld der Koordinate Z auf der Navigationsseite eingeben, wenn der tatsächliche Abstand ausgewählt ist. Vergrößern Sie das Feature auf das 1.000-fache und drehen Sie die Regler für Kontrast, Helligkeit, grob und fein auf der manuellen Benutzeroberfläche, um das Bild des Partikelmerkmals zu optimieren.

Zentrieren Sie das erste Loch im Live-Bild des Elektronenstrahl-Bildgebungsbereichs, indem Sie die X- und Y-Schaltknöpfe auf der manuellen Benutzeroberfläche drehen, vergrößern Sie die Bilder mit Partikeln auf eine 200.000-fache Vergrößerung, indem Sie den Vergrößerungsknopf auf der manuellen Benutzeroberfläche drehen. Wählen Sie die Bildschirmauflösung auf 1.024 x 884 aus dem Listenfeld in der Symbolleiste aus. Legen Sie dann die Scanrate im Listenfeld in der Symbolleiste auf 30 Mikrosekunden fest.

Drücken Sie die Taste F4, um den Schnappschuss des aktuellen Bildes aufzunehmen, das im Elektronenstrahl-Bildgebungsbereich angezeigt wird. Drücken Sie die Strg-Taste und die S-Taste, um das Bild als TIF-Datei am gewünschten Speicherort mit dem definierten Dateinamen einschließlich einer inkrementellen Nummer zu speichern. Verkleinern Sie die Ansicht, indem Sie den Vergrößerungsknopf drehen, um das nächste benachbarte Loch zu lokalisieren.

Wiederholen Sie diese Vorgänge, um die Aluminiumoxyhydroxidpartikel in den restlichen Löchern abzubilden. Um eine Elementaranalyse mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) durchzuführen, setzen Sie die energiedispersiven Spektroskopie-Detektoren in die Kammer ein. Wählen Sie die ETD auf dem Kontrollmonitor des Mikroskops aus.

Wählen Sie dann den Sekundärelektronenmodus für die Betrachtung der Probe auf dem Elektronenstrahl-Bildgebungsbereich und stellen Sie die Parameter wie zuvor ein. Vergrößern Sie die Aluminiumoxyhydroxid-Partikel in jedem Loch mit einer Vergrößerung von 200.000-fach, indem Sie den Vergrößerungsknopf auf der manuellen Benutzeroberfläche drehen. Öffnen Sie anschließend die zugehörige EDAC-Software.

Klicken Sie in der Benutzeroberfläche auf Aufnahme neuer Spektren starten, um das EDX-Spektrum zu erfassen. Wählen Sie Peak-ID aus, um die wahrscheinlichen Elemente des Spektrums auszuwählen. Geben Sie dann die beobachteten Elemente in das Elementfeld ein.

Klicken Sie auf Hinzufügen, um das Element auf das Spektrum anzuwenden. Klicken Sie auf Datei und dann auf Speichern unter. Speichern Sie die Spektraldaten im CSV-Format unter dem gewünschten Dateinamen für die Darstellung mit einer Grafiksoftware.

Nachdem Sie die Bildgebung und die Spektrumaufzeichnung für jedes der Löcher abgeschlossen haben, schalten Sie den Elektronenstrahl aus, indem Sie auf der Strahlsteuerungsseite auf die Schaltfläche "Strahl ein" klicken, wenn der Elektronenstrahl-Bildgebungsbereich eingeschaltet ist. Entlüften Sie die REM-Kammer, indem Sie auf derselben Seite auf Entlüftung klicken. Nehmen Sie die Probe vorsichtig vom Tisch, indem Sie alle Klebebänder entfernen, nachdem die Kammertür geöffnet wurde.

Wiederholen Sie den Vorgang, um die Kontrollexperimente mit entionisiertem Wasser und einem leeren Mikrokanal durchzuführen. Zeichnen Sie schließlich das EDX-Spektrum auf, wie es im Protokoll des Technikers beschrieben ist. Mit Hilfe der mikrofluidischen Schnittstelle SALVI kann der Elektronenstrahl die kleine, mikrometergroße Apertur direkt mit darunter liegender Flüssigkeit beschießen.

Böhmit-Partikel in deionisiertem Wasser wurden mit der Kontrolle von deionisiertem Wasser und der Kontrolle über leere Kanäle in ihren Sekundärelektronenbildern verglichen. Dies ist ein direkter Beweis für die Abbildung von Teilchen-Sekundärelektronen von Böhmit-Teilchen in der Flüssigkeit. Die Visualisierung des Partikels in deionisiertem Wasser innerhalb des Ein-Mikrometer-Lochs zeigt die Machbarkeit, Partikel in Flüssigkeit in situ zu beobachten.

In der Böhmit-Probe wird ein starker Aluminiumpeak beobachtet. Im Gegensatz dazu wird in der deionisierten Probe nur ein starker Sauerstoffpeak beobachtet, was auf die Beobachtung von Wasser hinweist. Im leeren Kanal ist der Rest des Gallium-fokussierten Ionenstrahls zu sehen.

Der Sauerstoffpeak ist recht klein, da sich kein Wasser im Inneren befindet. Einmal gemeistert, kann diese Technik in ein paar Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Im Allgemeinen werden Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten haben, da es schwierig ist, Flüssigkeiten im Hochvakuum-REM direkt zu visualisieren.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Partikel in Flüssigkeit mit Hilfe von In-situ-Flüssigkeits-REM mit SALVI charakterisiert. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wirklich wichtig, daran zu denken, dass der Mikroreaktor frei von Lecks sein sollte, bevor er auf den REM-Tisch montiert wird. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie TOF-SIMS oder NMR durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen wie die molekulare Zusammensetzung und die Fluidfeldkartierung zu beantworten.

Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Materialwissenschaften, des Chemieingenieurwesens und der Nukleartechnik, um die Partikelgröße und morphologische Veränderungen in einer ätzenden flüssigen Umgebung zu untersuchen. Vergessen Sie nicht, dass bei der Arbeit mit der Oberflächenanalyse mittels REM Handschuhe und eine Schutzbrille getragen werden sollten.