Projects

Développement de la platine électrochimique in-operando sur le microscope électronique à balayage Quattro

Une plateforme électrochimique intégrée au microscope électronique à balayage Quattro de Thermo Fisher Scientific est désormais accessible à l’ensemble des chercheurs du Québec. Elle permet la réalisation de mesures électrochimiques in situ or in operando, notamment la cyclovoltamétrie de matériaux solides électroactifs et le cyclage de prototypes de batteries. Les utilisateurs du Quattro peuvent également accéder à la boîte à gants (BAG) des installations centrales XPS de Polytechnique Montréal, laquelle assure le transfert d’échantillons sensibles à l’air ou à l’humidité vers le Quattro dans des conditions contrôlées.

Le développement de cette infrastructure a été réalisé conjointement par des membres du groupe du professeur M. Dollé, dont Steve Rousselet (Université de Montréal), et les professionnels du CM². Leur travail a porté sur la mise en service et la validation du module électrochimique, ainsi que sur la résolution de difficultés techniques rencontrées avec la platine, malgré un design initialement adapté par Thermo Fisher pour ce type de mesures. Ce processus a nécessité des développements méthodologiques supplémentaires, des essais électrochimiques, des ajustements de programmation et un suivi rigoureux des performances.

Le système électrochimique de la plateforme Quattro est maintenant entièrement opérationnel, et l’équipe Dollé a réussi à effectuer des tests en conditions réelles sur des piles au lithium métal (M. Costalin et coll. J. Electrochem. Soc. 172 030505 (2025) et idem. 171 100505 (2025)). L’interface entre la BAG et le MEB, incluant le système de transfert, a été complétée en janvier 2023. Cette fonctionnalité, permettant l’introduction d’échantillons sans exposition à l’air, est donc une évolution récente du microscope électronique Quattro. L’adaptation de la BAG au module de transfert a été effectuée par le personnel technique de l’Université de Montréal.

EBSD measurements for non-conductive materials

EBSD measurements of non-conductive materials are not possible in high-vacuum microscopes due to sample charging. The deposition of conductive coatings, such as carbon or gold, is necessary to reduce charging; however, these coatings prevent the acquisition of indexable Kikuchi patterns needed for EBSD analysis.

The aim of the current research project is to develop a methodology for the formation of conductive coatings that are thick enough to eliminate charging while remaining thin enough to allow the acquisition of high-quality Kikuchi patterns.

A set of non-conductive samples will be polished and ion milled to a surface quality suitable for EBSD measurement. Carbon and gold coatings will then be deposited to a thickness sufficient to suppress charging and to form a dense, uniform conductive layer.

Subsequently, the coating thickness will be gradually reduced by ion milling to improve the quality of the Kikuchi patterns. After each milling step, the quality of the resulting Kikuchi patterns will be evaluated until the best performance is reached.

During this project the following parameters will be studied:

• Ion Milling Parameters for Surface preparation of polished samples
• Parameters for the deposition of the carbon and gold layers (deposition time, stand-off distance )
• Parameters for the thickness reduction of conductive coatings (ion milling angle and time)
• Electron microscope parameters for EBSD Testing (beam voltage and amperage, size of the aperture, exposure time)

The preliminary experiments for this methodology demonstrated very promising results.

Analyse par séparation de variables de jeux de données SEM/TEM multi-modales

Le projet consiste à développer des outils d’intelligence artificielle pour réaliser la segmentation données multi-modales (signaux multiples de détecteurs d’électrons et de spectromètres EDX/EELS). Ces données proviendraient des cartes en 2D ou en tomogrammes acquis avec le microscope électronique FIB-MÉB ou du microscope électronique en transmission. L’objectif est de développer et valider des algorithmes de décomposition hyperspectrales par différentes stratégies utilisant la décomposition par variables latentes ou par réseau de neurones en exploitant la dernière génération de librairie d’IA. Afin de permettre une utilisation plus larges des outils à travers le réseau, une version avec une interface graphique sera développée et rendue disponible pour le RQMÉM en plus d’une formation sur son utilisation.

Développement de méthodes avancées de TKD haute énergie et d’EBSD basse énergie pour la caractérisation microstructurale à haute résolution

Le projet vise à renforcer les capacités avancées d’EBSD par le développement de méthodologies TKD haute énergie et EBSD basse énergie. Le TKD haute énergie sera appliqué aux alliages avec une densité relativement élevée (aciers, superalliages, alliages de Ti) et permet une résolution spatiale supérieure à l’EBSD conventionnel, essentielle pour les microstructures ultrafines. L’EBSD basse énergie optimisera l’acquisition à faible énergie, où la pénétration réduite et la diffusion limitée améliorent la sensibilité de surface et la résolution pour les échantillons massifs. Une comparaison systématique des deux méthodes définira leurs avantages, limites et applications selon les alliages. Les performances de plusieurs détecteurs EBSD seront évaluées pour adapter les conditions de mesure. Les échantillons TKD seront préparés par FIB, tandis que les échantillons massifs auront un polissage ionique et nettoyage UV. Les mesures couvriront plusieurs tensions et géométries, et la qualité des motifs, la limite de pas et l’indexation seront évaluées à l’ÉTS et dans le réseau.

Hydrogels nanostructurés et métalloprotéinés: identification des conditions d’observations pour des mesures en HRTEM et cryo-FIB

Les interactions complexes entre des hydrogels biologiques (ex. mucus) et synthétiques (ex. hydrogels pour applications topiques) et des nanoparticules contenant des principes actifs (pharmacologiques, vaccinaux, génétiques), doivent être mesurées dans plusieurs domaines des sciences de la santé (ophthalmologie, immunologie, cancer, etc.). Or, la visualisation des interactions entre NP et hydrogels – qu’ils soient biologiques ou synthétiques – est un réel défi en microscopie électronique. Premièrement, les hydrogels sont des structures fragiles et gorgées d’eau (plus de 98%), dont la préparation en vue de l’observation sous faisceau d’électrons nécessite une préparation spécifique (ex. cryosection suivie de lyophilisation pour observation en HRTEM; cryopréparation pour observation en cryo-FIB-MEB, etc.). Ces échantillons organiques étant fragiles, les appareils doivent être observés en mode, conditions et paramètres (ex. énergie, focalisation, grossissement), garantissant de faibles doses. D’autre part, les hydrogels naturels comme les mucus – présents sur la cornée, parois nasales, buccales, gastrique, intestinale, vaginale, etc. – peuvent contenir de fortes teneurs en métalloprotéines. Or, les concentrations en ions Fe, Mg, Mn, Cu, Ca et Zn – les principaux rencontrés dans les métalloprotéines – doivent être suffisamment élevés pour être détectables dans les coupes d’hydrogels lyophilisés ou cryogénisés observées en HRTEM ou cryo-FIB-MEB. Les seuils de concentration pour lesquels ces métaux seraient détectables en EDS dans de tels spécimens, doivent être mesurés. Dans ce projet, des hydrogels synthétiques à base de mucines bovine mimant les caractéristiques de certains mucus humains, seront co-mélangés avec des nanoparticules lipidiques (représentatives de plusieurs systèmes d’administration de principes actifs) et des métalloprotéines fréquents (ex. hémoglobine (Fe), hémocyanine (Cu), Zn finger proteins). Pour le microscope électronique en HRTEM, les hydrogels seront préparés par cryo-ultramicrotomie et lyphilisés (U.Laval), alors que pour FIB-MEB, les hydrogels seront cryogénisés à McGill. Les échantillons seront observés par HRTEM (incluant EDS), et par cryo-FIB-MEB. Ce projet permettra d’évaluer toutes les contraintes de préparation de spécimens, de dose, et de signal, encadrant l’observation de ce type de spécimens complexes.

Développement d’une méthode expérimentale au PFIB pour obtenir des reconstructions 3D incluant la prise d’images, cartes EDS et cartes EBSD de matériaux durs

Le projet consiste à visualiser en 3 dimensions la nano/microstructure de matériaux « durs ». Il s’agit donc d’obtenir des images de plusieurs régions de l’échantillon en plus de cartes chimiques par spectrométrie des rayons X (EDS) et des cartes cristallographiques par EBSD.

Ces informations sont d’abord recueillies d’une section de l’échantillon. Par la suite, le faisceau du microscope électronique PFIB permet de décaper de façon contrôlée et relativement rapidement la surface de l’échantillon de façon à obtenir les mêmes informations, mais de sections sous la surface initiale. De telles séquences de décapage/acquisition de données sont répétées pour un nombre donné de cycles de façon à éventuellement construire et visualiser la nano/microstructure des matériaux en 3D. Cela inclut la visualisation des constituants nano/microstructuraux ainsi que leur composition chimique et leur structure cristalline et donc la visualisation de la distribution spatiale des phases. Il est aussi possible de déterminer les paramètres morphométriques de ces phases (taille, quantité et forme) par analyse d’images. De telles reconstructions peuvent nécessiter plusieurs journées consécutives de temps machine incluant le soir et la fin de semaine dépendamment de la résolution spatiale requise et de la taille de la région d’intérêt.

Jusqu’à maintenant, nous avons réussi à obtenir des images d’échantillons biologiques de la professeure Natalie Reznikov de McGill avec qui nous collaborons. Le groupe de la professeure Reznikov traite ensuite ces images pour représenter les images en 3D à l’aide du logiciel de Dragonfly. Cependant, aucun résultat de ce type n’a encore été obtenu en incluant les informations chimiques (cartographies EDS) et cristallographiques (cartographies EBDS) de matériaux durs. Plusieurs problèmes doivent être solutionnées incluant l’arrêt inattendu de l’acquisition des données à cause d’un problème du système d’Oxford (EDS ou EBSD) ou/et du système d’opération du PFIB de Thermofisher (lors de l’acquisition d’images), des problèmes d’alignement des images obtenues dans une section donnée de l’échantillon (pour générer une mosaïque de cette section) ainsi que l’alignement des mosaïques des différentes sections (pour générer les reconstructions 3D) etc. Restera ensuite la reconstruction 3D et l’analyse des images et cartes EDS et EBSD.

Le premier objectif du projet est donc d’obtenir de telles informations de façon robuste et reproductible. L’objectif suivant sera de reconstruire les informations en 3D à l’aide du logiciel de Dragonfly ou/et d’Avizo. Nous envisageons donc évaluer les deux logiciels dans le cadre de ce projet. Finalement, il s’agira de d’obtenir les paramètres morphométriques.

Imaging Beam-sensitive and Low-contrast Soft Materials with iDPC and 4D-STEM

The characterization of nanostructures of beam-sensitive (i.e., metal-organic framework) and low-contrast soft materials (i.e., macromolecules) are vital for understanding their functional properties and guiding their applications. However, achieving high-resolution imaging of their nanostructures by electron microscopy has been historically challenging due to their extreme sensitivity to electron beam irradiation and the inherently low contrast of light elements. Recent advances in integrated-differential potential contrast (iDPC) and four-dimensional scanning transmission electron microscopy (4D-STEM) offer opportunities to overcome these limitations. iDPC utilizes electrostatic potential sensitivity to produce high signal-to-noise, phase-rich images of both light and heavy elements under low-dose conditions, while 4D-STEM records complete electron diffraction patterns at every probe position, enabling the reconstruction of nanostructures with unprecedented precision.

Ce projet exploite les instruments à la fine pointe pour développer des techniques avancées d’iDPC et de 4D-STEM, incluant le MÉT Talos au Facility of Electron Microscopy Research (FEMR, McGIll) et le microscope électronique en transmission Spectra à l’Institut Interdisciplinaire d’Innovation Technologique (3iT, Université de Sherbrooke), tous deux équipés avec des détecteurs DPC/iDPC à quatre quadrans, en plus du SU9000 à McGill équipé de détecteurs 4D-STEM. Ensemble, ces plateformes offrent un environnement expérimental exceptionnel pour l’acquisition de données rapide, de haute résolution et à faible dose, adapté à la sensibilité de faisceau des matériaux souples. En intégrant ces techniques complémentaires et favoriser les collaborations entre les institutions au Québec, ce travail a pour objectif de mettre en place un cadre robuste pour l’imagerie permettant de visualiser et d’interpréter de manière fiable les nanostructures de systèmes de matériaux jusqu’alors difficiles à étudier.

EDS and EELS Talos, Spectra and SU9000 benchmarking and optimization

Le RQMÉM soutient la collaboration entre le FEMR de McGill et la plateforme de microscopie de l’Université de Sherbrooke. McGill opère un microscope électronique Talos alors que UdeS héberge un système Spectra dont l’optique corrigée permet une microscopie STEM analytique plus performante. Le financement va supporter les visites du personnel de FEMR à Sherbrooke pour des formations pratiques, incluant des sessions avec les spécialistes de Thermo Fisher, qui vont informer directement sur l’optimisation de l’instrument Talos à McGill.

Specifically, the project will benchmark Talos EDS capabilities against Spectra performance, as well as McGill-based Hitachi SU-9000, establishing quantitative reference data to guide future upgrades and operating protocols. This will help build a clear framework for sample workflow between the platforms. After this benchmarking is established, McGill samples that currently exceed the Talos’ limits will be analyzed there during subsequent visits.

Besides EDS, we have developed EELS analysis on the Talos and established limitations in a number of cases, requiring the use of the Spectra. We wish to study plasmonic materials sensitive to beam damage preventing reliable EELS acquisition (e.g., TiN), structures with multiple plasmon modes requiring higher energy resolution (e.g., Au nanorods), and Gd-containing samples for which current EELS and EDS detection thresholds are insufficient.

This initiative will immediately enhance characterization capabilities in Quebec and foster long-term sharing of expertise between the two institutions.