Методическая статья

Современная электронная микроскопия для исследований в области физических наук

2.1K просмотров

DOI:

10.3791/64973

10 февраля 2023 г.

В этой статье

Аннотация

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

Moon, T., Colletta, M., Kourkoutis, L. F. Наноразмерная характеристика границ раздела жидкость-твердое тело с помощью парного криосфокусированного ионного пучкового фрезерования с помощью сканирующей электронной микроскопии и спектроскопии. Журнал визуализированных экспериментов. (185), E61955 (2022).

Ohtsuka, M., Muto, S. Количественный атомный анализ функциональных легирующих примесей/точечных дефектов в кристаллических материалах с помощью микроанализа, усиленного электронными каналами. Журнал визуализированных экспериментов. (171), E62015 (2021).

Miao, L., Chmielewski, A., Mukherjee, D., Alem, N. Точное отслеживание положения атома пикометром с помощью электронной микроскопии. Журнал визуализированных экспериментов. (173), E62164 (2021).

Unocic, K. A. et al. Выполнение in situ газовых реакций с закрытыми ячейками в просвечивающем электронном микроскопе. Журнал визуализированных экспериментов. (173), E62174 (2021).

Zheng, F. et al. Картирование магнитного поля с использованием внеосевой электронной голографии в просвечивающем электронном микроскопе. Журнал визуализированных экспериментов. (166), e61907 (2020).

Редакционная статья

Способность предоставлять информацию с высоким разрешением о различных материалах сделала электронную микроскопию ценным инструментом для исследовательского сообщества в области физических наук. В последние годы было разработано множество передовых методов электронной микроскопии, чтобы обеспечить доступ к новым классам материалов или предоставить новые типы информации о материалах. В этой коллекции методов основное внимание уделяется выбору этих современных методов, в том числе тех, которые обеспечивают доступ к информации о материалах в жидкостях и газах, а также тех, которые предоставляют новую или расширенную информацию о более традиционных твердых материалах.

В первой статье, написанной Муном и др., описываются методы сопряженного сфокусированного ионного пучка (FIB) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), выполняемые при криогенных температурах, что позволяет охарактеризовать границы раздела жидкость-твердое тело в неповрежденном состоянии на наномасштабе1. Авторы обеспечивают рабочий процесс для выполнения крио-SEM и энергодисперсионной рентгеновской (EDX) спектроскопии на образцах, фрезерованных FIB, включая настройку прибора, сохранение границ раздела жидкость-твердое тело, фрезерование образцов с помощью FIB, а также визуализацию и анализ EDX полученных поверхностей поперечного сечения. В дополнение к рабочему процессу авторы предоставляют набор репрезентативных результатов для границ раздела металл-жидкий электролит лития и обсуждают, как избежать артефактов на различных этапах процесса. Методы, описанные в этой статье, обеспечивают беспрецедентно высокий доступ к неповрежденным границам раздела жидкость-твердое тело и бесценны, например, для изучения устройств электрохимического хранения и преобразования энергии.

В следующей статье Оцука и Муто представляют метод, известный как рентгеновская спектроскопия с электронным каналом высокого углового разрешения (HARECEXS), который использует электронное каналирование в паре с EDX и спектроскопией потерь энергии электронов (EELS) в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе (STEM) для изучения занятости участков и зависимой от участка химической информации о примесях/легирующих примесях в материалах2. Авторы представляют экспериментальные процедуры, необходимые для проведения этих экспериментов, включая предварительную обработку образцов, настройку/эксплуатацию прибора и анализ данных. В дополнение к репрезентативным результатам для BeTiO3 и Ca1,8Eu0,2Y0,2Sn0,8O4, авторы также предлагают обсуждение, которое включает, среди прочего, рекомендации для пользователей инструментов, не оснащенных определенными функциями. Описанный здесь метод HARECEXS является полезным инструментом для отслеживания химической информации атомного масштаба в широком спектре промышленных продуктов.

В следующей статье авторы Мяо и др. описывают методы отслеживания положения атомных колонок в кристаллических материалах с точностью до пикометра с использованием STEM3. Авторы обсуждают методы получения высококачественных STEM-изображений с атомным разрешением, обработки данных предварительного отслеживания положения, количественной оценки положения атомной колонки и соответствующего измерения деформации решетки, а также визуализации результатов. Также представлен графический пользовательский интерфейс (GUI) MATLAB, который помогает в этих процессах, а также репрезентативные результаты для перовскитных структур и обсуждение различных доступных пакетов анализа, среди прочих тем. Эти методы позволяют, например, отслеживать поля деформаций в различных материалах с высокой точностью и высоким пространственным разрешением.

Далее Unocic et al. представляют метод проведения измерений in situ с высоким разрешением материалов, претерпевающих реакции в газообразных средах в STEM, известный как газовая реакция in situ с закрытыми порами (CCGR)4. Представлен экспериментальный протокол проведения экспериментов CCGR, включая подготовку образца, держателя STEM и экспериментальной установки, а также порядок проведения эксперимента и анализа остаточных газов (RGA). Авторы представили репрезентативные результаты для гетерогенного катализатора с наночастицами Pt, а также дополнительное обсуждение подготовки образцов и применения этого метода. С помощью метода CCGR-STEM можно идентифицировать локализованные динамические реакции, что очень сложно при использовании других методов, но важно, например, для изучения катализаторов и конструкционных материалов.

В заключительной статье коллекции Zheng et al. демонстрируют методы картирования наноразмерных магнитных полей с помощью внеосевой электронной голографии в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ)5. Авторы включают описание этапов, связанных с проведением эксперимента, а также с анализом данных и интерпретацией результатов. Описанный в статье голографический метод ПЭМ позволяет картировать магнитные поля в двух измерениях с наноразмерным разрешением, а в перспективе позволит проводить измерения в трех измерениях в сочетании с томографическими методами. Тем самым дает возможность изучать трехмерные магнитные наноструктуры.

Со временем электронная микроскопия охватывает все более широкий спектр методов, которые расширяют ее охват от получения базовой структурной и элементной информации о твердых материалах до предоставления более подробной информации об этих свойствах с высоким разрешением, измерения совершенно новых свойств, таких как распределение электрического/магнитного поля, и определения характеристик образцов, контактирующих с летучими материалами, такими как жидкости и газы. Эта коллекция методов охватывает широкий спектр этих методов, представляет собой ценный ресурс для исследователей, начинающих работать в различных областях, в которых эти современные методы электронной микроскопии бесценны, и обеспечивает прочную основу для тех, кто будет развивать эти методы в будущем.

Раскрытие информации

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Данная рукопись была подготовлена компанией UT-Battelle, LLC по договору No. DE-AC05-00OR22725 с Министерством энергетики США. Правительство Соединенных Штатов сохраняет, а издатель, принимая статью к публикации, признает, что Правительство Соединенных Штатов сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную, всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы данной рукописи или разрешение другим лицам делать это для целей Правительства Соединенных Штатов. Министерство энергетики обеспечит публичный доступ к этим результатам исследований, спонсируемых из федерального бюджета, в соответствии с Планом общественного доступа Министерства энергетики США (http://energy.gov/downloads/doe-public-access-plan).

Благодарности

Эта работа была поддержана Центром нанофазных материаловедения (CNMS), который является Министерством энергетики США, Офисом научных пользователей в Национальной лаборатории Оук-Ридж.

Ссылки

  1. Moon, T., Colletta, M., Kourkoutis, L. F. Nanoscale characterization of liquid-solid interfaces by couple cryo-focused ion beam milling with scanning electron microscopy and spectroscopy. Journal of Visualized Experiments. (185), e61955(2022).
  2. Ohtsuka, M., Muto, S. Quantitative atomic-site analysis of functional dopants/point defects in crystalline materials by electron-channeling-enhanced microanalysis. Journal of Visualized Experiments. (171), e62015(2021).
  3. Miao, L., Chmielewski, A., Mukherjee, D., Alem, N. Picometer-precision atomic position tracking through electron microscopy. Journal of Visualized Experiments. (173), e62164(2021).
  4. Unocic, K. A., et al. Performing in situ closed-cell gas reactions in the transmission electron microscope. Journal of Visualized Experiments. (173), e62174(2021).
  5. Zheng, F., et al. Magnetic field mapping using off-axis electron holography in the transmission electron microscope. Journal of Visualized Experiments. (166), e61907(2020).

Перепечатки и разрешения

Теги

Nanoscale CharacterizationLiquid solid InterfacesCryo focused Ion Beam MillingScanning Electron MicroscopySpectroscopyAtomic site AnalysisFunctional DopantsPoint DefectsCrystalline MaterialsPicometer precision TrackingIn Situ Closed cell Gas ReactionsTransmission Electron MicroscopeMagnetic Field MappingOff axis Electron Holography