Projets

Développement de la platine électrochimique in-operando sur le 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 ou 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 Quattro. L’adaptation de la BAG au module de transfert a été effectuée par le personnel technique de l’Université de Montréal.

Mesures EBSD pour des matériaux non conducteurs

Les mesures EBSD de matériaux non-conducteurs ne sont pas possibles dans des microscopes à vide poussé en raison de l’accumulation de charge sur l’échantillon. La déposition de revêtements conducteurs, tel que le carbone ou l’or, est nécessaire pour réduire l’accumulation de charges; par contre, ces revêtements empêche l’acquisition de patrons de Kikuchi nécessaires pour l’analyse EBSD.

L’objectif de ce projet de recherche et de développer une méthodologie pour la formation de revêtements conducteurs qui sont suffisamment épais pour éliminer le chargement, et suffisamment mince pour permettre l’acquisition de patrons de Kikuchi de haute qualité.

Une série d’échantillons non-conducteurs seront polis et fraisés par ion jusqu’à l’obtention d’une surface de qualité adaptée aux mesures d’EBSD. Des revêtements de carbone et d’or seront ensuite déposés d’une épaisseur suffisante pour éliminer le chargement et former une couche conductive dense et uniforme.

Ensuite, le revêtement sera graduellement réduit par fraisage d’ion pour améliorer la qualité des patrons de Kikuchi. Après chaque étape de fraisage, la qualité des patrons de Kikuchi sera évaluée jusqu’à ce que la meilleure performance soit atteinte.

Lors de ce projet, les paramètres suivants seront étudiés:

• Paramètre de fraisage d’ions pour la prépraration de surface d’échantillons polis
• Paramètres pour le dépôt de couches de carbone et d’or (temps de déposition, distance)
• Paramètres pour la réduction d’épaisseur des revêtements conducteurs (angle et temps de fraisage d’ions)
• Paramètres des microscopes électroniques pour les tests d’EBSD (tension et intensité de faiscean, taille de l’ouverture, temps d’exposition)

Les expérimentations préliminaires pour cette méthodologie ont démontré des résultats prometteurs.

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 FIB-MÉB ou du MÉT. 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 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 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.

Imagerie de matériaux mous sensibles au faisceau et à faible contraste à l’aide de l’iDPC et de la 4D-STEM

La caractérisation de nanostructures de matériaux sensibles aux faisceaux (par exemple les structures métallo organiques) et matériaux mous de contraste faibles (par exemple les macromolécules) sont vitales pour comprendre les propriétés fonctionnelles et guider les applications. Par contre, atteindre l’imagerie de haute résolution des nanostructures par microscopie électronique est historiquement un défi en raison de la sensibilité extrême à l’irradiation du faisceau d’électrons et le contraste intrinsèquement faible des éléments. Des avancés récentes réalisées dans le domaine du contraste de potentiel différentiel intégré (iDPC) et de la microscopie électronique à transmission à balayage quadridimensionnelle (4D-STEM) offrent des perspectives pour surmonter ces limites. L’idPC utilise la sensibilité au potentiel électrostatique pour produite un ratio signal bruit élevé, des images riches en phases, tant pour les éléments légers que pour les éléments lourds, dans ces conditions de faible dose, alors que la technique 4D-STEM enregistre des diagrammes de diffraction électronique complets à chaque position de la sonde, ce qui permet de reconstruire des nanostructures avec une précision sans précédent.

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) and le MÉT 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 exceptionel pour l’acquisition dew 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.

Tests de performance et optimisation des systèmes EDS et EELS des microscopes Talos, Spectra et SU9000

Le RQMÉM soutient la collaboration entre le FEMR de McGill et la plateforme de microscopie de l’Université de Sherbrooke. McGill opère un microscope 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.

Plus précisément, le projet comparera les capacités du Talos EDS à celles du Spectra, ainsi qu’à celles du Hitachi SU-9000 installé à l’Université McGill, afin d’établir des données de référence quantitatives qui serviront de base aux futures mises à niveau et aux protocoles d’exploitation. Cela permettra de définir un cadre clair pour le déroulement des analyses d’échantillons entre les deux plateformes. Une fois cette comparaison établie, les échantillons de McGill qui dépassent actuellement les limites de Talos y seront analysés lors de prochaines visites.

En plus de l’EDS, nous avons développé des analyses en EELS sur le Talos et établi les limites dans plusieurs cas où le Spectra est requis. Nous souhaitons étudier les matériaux plasmoniques sensibles aux dommages causés par le faisceau, qui empêchent une acquisition fiable des données EELS (par exemple le TiN), les structures présentant plusieurs modes plasmoniques qui nécessitent une résolution énergétiques plus élevée (par exemple, les nanobâtonnets d’or (Au)), ainsi que les échantillons contenant du gadolinium (Gd) pour lesquels les seuils de détection actuels des techniques EELS et EDS sont insuffisants.

Cette initiative améliorera immédiatement les capacités de caractérisation au Québec et favoriser le partage à long terme de l’expertise entre deux institutions.