液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用して液体の材料の動的過程を明らかにする

Summary

我々は、透過型電子顕微鏡を用いて液体を介して撮像を可能にする自己完結型の液晶セルを開発した。液体中のナノ粒子の動的なプロセスは、サブナノメートルの分解能でリアルタイムに明らかにすることができる。

Abstract

高空間分解能を有する液体を介して撮像を可能にするその場透過型電子顕微鏡での最近の開発は、材料科学、物理学、化学、生物学の研究分野に大幅な利益を集めている。鍵となる技術は、液晶セルである。我々は、シリコン窒化膜の成膜、フォトリソグラフィパターニング、ウェハエッチング、セル結合なども含めて、正規TEMグリッドの次元をもつ液体セルは任意の標準的なTEM試料ホルダーに収まることができ、連続微細加工プロセスを経薄い視野窓付きの液体セルを製造。約100ナノリットルの反応液をリザーバーにロードされ、約30ピコリットルの液が毛管力による閲覧ウィンドウに描画されます。その後、細胞は、in situイメージングのための顕微鏡に封入され、ロードされます。 TEMの内部では、電子ビームが2窒化シリコン膜の間に挟まれた薄い液体の層を通過します。ダイナミックPROCこのようなナノ結晶の核生成と成長、ナノ粒子の拡散や組立などの液体中のナノ粒子のessesは、サブナノメートルの分解能でリアルタイムに撮影された。我々はまた、他の研究分野、 例えば 、水の撮像タンパク質にこの方法を適用している。液体セルのTEMは、作業環境における材料の動的なプロセスを明らかにする上で大きな役割を果たすように態勢を整えています。また、それらのネイティブ環境での生物学的プロセスの研究に大きな影響をもたらす可能性があります。

Introduction

それらのネイティブ環境でのリアルタイムイメージングと生体物質の液体の化学反応の研究では、研究分野の^1から5間で有意な利益のであった。透過型電子顕微鏡（TEM）の高空間分解能のために、TEMを用いて液体を介して撮像は^、4,5、多くの注目を集めている。従来の顕微鏡は、高真空環境下で運営されていますので、しかし、それは、TEMを用いて画像液体試料に大きな課題となっている。また、液体試料は、電子ビームが通過するのに十分な薄さでなければなりません。ウィリアムソンら ^6は、Cuの電気化学堆積のイメージングは、TEMで動作電気化学液体セルを用いて、5 nmの分解能を達成することができることを報告した。デヨら ^1は、スキャン（S）TEMを用いてのserveralマイクロメートル厚の水を介してイメージ生体試料をすることができました。生体試料の低コントラストではありませんでした金ナノ粒子を撮像するためのマーカーとして使用されていたので、問題として提起した。厚い液体試料は、幹撮影モードが使用され、ナノメートルの分解能が達成されたので、どちらかの問題ではありませんでした。我々は最近、サブナノメートル分解能^5,7と液体にコロイド状ナノ粒子の実時間TEMイメージングを可能にする自己完結型の液晶セルを開発しました。改善された解像度と高速のTEM像（高分解能STEMイメージングによって達成されていない1秒あたり30フレ....

Protocol

1。液体セルの微細加工

1. シリコンウェーハ（p-ドープ、厚さ100μm、直径4インチ）を準備して、手順を標準ウエハ洗浄浴を用いてウェーハを洗浄してください。
2. 低圧化学蒸着法（LPCVD）法によるシリコンウェーハの両側に堆積物の低応力窒化シリコン薄膜（厚さ20nm）。カスタム開発されたレシピは、（罪_のx、x <4/3）シリコンリッチ窒化物の成長を可能に堆積のために使用されます。
3. 観察窓（1×50μm）を使って、覗き窓（1×50μm）とトップチップ（直径3ミリメートル2.6×2.6 mm）で、底部チップ（直径3ミリメートル2.6×2.6 mm）を作製と2貯水池（0.6×1.2×0.1mm）をフォトリソグラフィパターニングを含む標準的な製造プロセスは_、SiN x膜_のプラズマエッチング（活性ガスとしてSF _6を使用_して ）、KOHウエットetchinの順序に従って露出されたシリコンウェーハのグラム、等我々はそのようなフォトレジストのスピンコーティングとして、最も一般的なフォトリソグラフィ·プロセスを使用します（1分間3000 rpmの回転速度とのポジ型フォトレジスト、フォトレジストの厚さは約1μmである）、UV露光現像液と定着液（脱イオン水）などを用いた液体セル、リソグラフィパターニングのCrマスクの下でスピンコーティングし、パターニングするための開発者用のフォトレジストの異な....

Results

液晶セルTEM法を使用することにより、我々は、ナノ粒子のビルディング·ブロックからのPt ₃鉄ナノロッドの溶液成長を可視化した図2は、さまざまな溶液条件のPt ₃鉄ナノロッドの成長軌道を描いた連続した画像を示しています。 Photoshopを使用して偽の着色プロセスは、ナノ粒子を強調するために採用した。

ペンタデカンとオレイルアミン（7:3 vol / vol）の混合溶媒を用いた場合、成長の3つの異なるステージが（ 図2A）を同定することができる。 PtとFeの前駆体は、電子線照射によって縮小されたときにまず第一に、多くの小さなナノ粒子が形成される。それらのいくつかは、モノマーアタッチメントによって育つものもあれば、合体を受ける。第二に、短いナノ粒子鎖はnanopaticle相互作用を介して形成されている。第三に、形成されたナノ粒子のように短いチェーンが比較的長い曲がりくねったナノ粒子鎖を形成するためのビルディング·ブロックとして機能します。時ペンタデカン、OLEの混合物.......

Discussion

すべての製造プロセスは、半導体デバイスが作られたクリーンルームで行われてきた。

インジウムの堆積前に、チップのO ₂プラズマクリーニングは、表面上の有機残渣を除去することが必要である。このように、高品質のインジウムスペーサは上部と下部のチップのボンディングおよび漏洩自由液細胞の収率を向上させることができ、達成することができます。

厚さ約13nmの超薄膜でウィンドウを表示窒化ケイ素は、高空間分解能を達成するための鍵となります。そのような液体セルを扱う場合は、特別な注意が製造だけでなく、実験の間に膜を壊すことを避けるために必要です。たとえば、フラットフロントのピンセットをお勧めします。そして、膜洗浄処理中に、O ₂プラズマの低消費電力と用量（ すなわち 、20〜30秒のために30ウォルト）を組み込むことができる。成長速度は、電子ビームカレンに強く依存することができるのでトン密度、イメージングが重要である一方で、同じ電子ビーム電流密度を維持した。液晶セルTEM法は、リアル.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
			試薬
白金（II）アセチルアセトナート	アルドリッチ	523038
鉄（II）アセチルアセトナート	アルドリッチ	413402
ペンタデカン	アルドリッチ	P3406
オレイルアミン	アルドリッチ	O7805
オレイン酸	シグマ	O4137
			機器
TEM	JEOL	JEOL 3010
単色のTEM	FEI	F20ユ​​タTecnai