利用液体池透射电子显微技术揭示材料在液体中的动态过程

摘要

我们开发了一种独立的液体池，可在透射电子显微镜中实现液体环境下的成像。该技术能够以亚纳米分辨率实时揭示纳米颗粒在液体中的动态过程。

摘要

原位透射电子显微技术的最新发展使得通过液体进行高空间分辨率成像成为可能，在材料科学、物理学、化学和生物学等研究领域引起了广泛关注。该技术的关键在于液体池。我们通过一系列微加工工艺制备带有薄观察窗的液体池，包括氮化硅薄膜沉积、光刻图形化、晶圆刻蚀、池体键合等步骤。尺寸与常规透射电镜载网相同的液体池可适配于任何标准透射电镜样品 holder。约100纳升反应溶液被加载至储液腔中，并通过毛细作用将约30皮升液体吸入观察窗区域。随后，将液体池密封并装入显微镜中进行原位成像。在透射电镜中，电子束穿过由两层氮化硅膜夹持形成的薄液层。研究人员已以亚纳米分辨率实时观察了液体中纳米颗粒的动态过程，例如纳米晶体的成核与生长、纳米颗粒的扩散与组装等。我们还将此方法应用于其他研究领域，例如，在水中对蛋白质进行成像。液体池透射电镜有望在揭示材料在实际工作环境中的动态行为方面发挥重要作用，同时也可能对生物体系在其天然环境中的生命过程研究产生重大影响。

引言

实时研究液体中的化学反应以及在生物材料的天然环境中对其进行成像，一直是各研究领域的重大关注方向^1-5由于透射电子显微镜（TEM）具有高空间分辨率，利用TEM对液体样品成像已受到广泛关注^4,5然而，使用透射电子显微镜对液体样品进行成像一直面临巨大挑战，因为传统显微镜需在高真空环境下运行。此外，液体样品必须足够薄，以允许电子束穿透。Williamson 等⁶ 报道指出，使用在透射电子显微镜中运行的电化学液体池，可实现对铜电化学沉积过程的成像，空间分辨率达到5 nm。De Jonge 等¹ 能够利用扫描透射电子显微镜（STEM）对数微米厚的水层中的生物样品进行成像。由于使用了金纳米颗粒作为成像标记物，生物样品对比度低的问题未被视作障碍。同时，较厚的液体样品也未构成问题，因为采用了STEM成像模式，并实现了纳米级分辨率。我们近期开发了一种自封闭液体池，可实现对液体中胶体纳米颗粒的原位实时透射电子显微镜观察，并达到亚纳米分辨率。^5,7这些新开发的液体池可实现更高的分辨率和更快的透射电子显微镜成像（每秒30帧，此速度尚未通过高分辨率扫描透射电子显微成像实现），使得在液体环境中研究胶体纳米颗粒的动力学行为成为可能。这些液体池可适配标准透射电镜样品 holder，能够像常规透射电镜样品一样操作。仅需极少量液体（约30皮升）即可进行检测。 原位 在延长的化学反应条件下。多种成像与分析（<....

方案

1. 液体池的微加工

1. 准备硅晶圆（p型掺杂，厚度为100 μm，直径为4英寸），并使用标准晶圆清洗浴程序清洗晶圆。
2. 采用低压化学气相沉积（LPCVD）方法在硅晶圆的两侧沉积低应力氮化硅薄膜（厚度为20 nm）。沉积过程中使用自行开发的工艺配方，可生长富硅氮化物（SiN_x，x<4/3）。
3. 通过一系列标准 fabrication 工艺（包括光刻图形化、使用SF₆作为活性气体对SiN_x膜进行等离子体刻蚀、对暴露的硅晶圆进行KOH湿法刻蚀等），制备带有观察窗（1 × 50 μm）的底芯片（2.6 × 2.6 mm；直径3 mm）和带有观察窗（1 × 50 μm）及两个储液池（0.6 × 1.2 × 0.1 mm）的顶芯片（2.6 × 2.6 mm；直径3 mm）。我们采用最常见的光刻工艺，例如旋涂光刻胶（正性光刻胶，转速3,000 rpm，持续1分钟；光刻胶厚度约为1 μm）、在液体池铬掩模下进行紫外曝光、使用显影液和定影液（去离子水）进行光刻图形化等。旋涂所用光刻胶和显影所用显影液有多种选择，相应工艺参数也可能有所不同。由于图形特征尺寸较大（数百μm或更大），该工艺易于实现。KOH溶液通过将氢氧化钾粉末按氢氧化钾:水质量比1:2溶解于去离子水中配制而成。刻蚀过程中KOH溶液保持在80 °C，可实现约1 μm/min的刻蚀速率。SiN_x膜是KOH刻蚀硅时理想的保护掩模。由于采用刻蚀线设计....

结果

通过使用液体池透射电子显微镜（liquid cell TEM）方法，我们实现了对Pt₃Fe纳米棒从纳米粒子构筑单元在溶液中生长过程的可视化观察。图2展示了在不同溶液条件下Pt₃Fe纳米棒生长轨迹的一系列连续图像。采用Photoshop进行伪彩处理以突出显示纳米粒子。

当使用十五烷与油胺的溶剂混合物（7:3 体积比）时，可观察到三个明显的生长阶段（图 2A）。首先，在电子束辐照下，铂和铁前驱体被还原，形成大量小的纳米颗粒；其中一些通过单体附着方式生长，另一些则发生聚结。其次，纳米颗粒之间相互作用，形成较短的纳米颗粒链。第三，这些新形成的短纳米颗粒链作为结构单元，进一步组装成相对较长且呈蜿蜒状的纳米颗粒链。当使用十五烷、油胺和油酸的混合溶剂（6:3:1 体积比）时，首先形成蜿蜒的纳米颗粒链，随后这些纳米颗粒链在短时间内迅速变直，并形成单晶纳米棒（图 2B）。

综上所述，我们展示了单晶纳米.......

讨论

所有制造过程均在洁净室中完成，洁净室是用于制造半导体器件的场所。

在沉积铟之前，必须对芯片进行O₂等离子体清洗，以去除表面的有机残留物。这样可以获得高质量的铟隔离层，从而改善上下芯片之间的键合效果，并提高无泄漏液体池的制备成功率。

厚度约为13 nm的氮化硅超薄膜观察窗是实现高空间分辨率的关键。在处理此类液体池时，需格外小心，以避免在制备及实验过程中损坏薄膜。例如，建议使用前端平整的镊子。在薄膜清洗过程中，可采用低功率和低剂量的O₂等离子体处理（即，30 W，持续20–30秒）。由于生长动力学可能高度依赖于电子束电流密度，因此在成像过程中保持相同的电子束电流密度至关重要。液体池透射电子显微镜（TEM）方法不仅能够实现实时研究溶液中纳米晶体的生长动力学，还可揭示其他动态过程（即，纳米颗粒在液体中的扩散、液滴动力学等）。此外，该方法为在天然环境中可视化生物过程提供了有前景的途径。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
试剂
乙酰丙酮铂(II)	Aldrich	523038
乙酰丙酮铁(II)	Aldrich	413402
十五烷	Aldrich	P3406
油胺	Aldrich	O7805
油酸	Sigma	O4137
设备
透射电子显微镜（TEM）	JEOL	JEOL 3010
单色透射电子显微镜（Monochromated TEM）	FEI	F20 UT Tecnai