Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-12-20T12:55:00.000+00:00
Duration: 7 min 37 s
Description: 学ぶ透過型電子顕微鏡を用いた液体セル技術でナノ粒子の動的成長過程をリアルタイム観察する方法。サブナノメートル分解能でナノ材料の形成メカニズムを解明し、材料科学の研究を推進します。

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鄭は、EM液細胞の初期開発時に有用な議論を教授A.ポールAlivisatosとウルリッヒダーメンに感謝します。彼女は、DOE科学局早いキャリア研究プログラムのサポートに感謝いたします。

1。液体セルの微細加工<ol><li>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。 </li><li>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 &lt;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。 </li><li>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る選択肢があります。そして、プロセスの対応するパラメータも異なる場合があります。パターンの特徴は、（1μm以上の数百）が比較的大きいので、プロセスが達成することが容易です。 1:2の水の重量比：KOH溶液を水酸化カリウムで脱イオン水に水酸化カリウムパワーを溶解することによって調製される。 KOH溶液は、エッチング中に80℃に維持される。毎分1μmのエッチング速度を達成することができる。 のSiN x膜は、シリコンのKOHエッチングするための理想的な保護マスクです。 etchin以来グラム線が使用され、個々のチップは、KOHエッチング後にエッチングされたウェハの細い線に接続されている。チップの部分は簡単にその後の処理のための鋭いピンセットを用いて、ウエハから分離​​することができる。いいえダイシング工程は必要ありません。 </li><li>底部チップの平らな面上に堆積インジウムスペーサー。まず、1.3で同様のプロセスに従うことによってチップのリソグラフィパターニングを行う。チップの処理を支援するために、フォトレジストを用いて薄いガラス板上の個々のチップ（複数のチップのピースを指定できます）固執し、スピンコーティング、UV暴露の前に5分などセカンド用に乾燥した空気を聞かせて、によってパターニングチップを清掃O 2プラズマは、1分間50ワットで洗浄、エバポレーターを用いて、チップ上に厚さ100nmの第三に、預金インジウム薄膜、第三に、リフトオフプロセスは、インジウムスペーサーを生成するために行われている。 </li><li>一緒に結合する下部と上部のチップ。まず光microsco下底部と頂部のチップの2窒化ケイ素の表示ウィンドウを整列させるPEおよびクランプを使用して約0.1MPaの圧力を適用します。それは正確に互いの上にウィンドウを整列させるために練習が必要です。その後、液体セルは1時間120℃の真空オーブンで焼いています。最後に、我々は、細胞を収集し、将来の使用のための真空デシケーター中で調製された細胞を格納します。 </li></ol>全体の製造プロセスを図1に示します。我々は、カリフォルニア大学バークレー校のナノファブリケーション研究所ですべての製造プロセスを実施しています。 2。反応液の調製ここでは、例として成長PT 3鉄ナノロッドのために反応溶液を調製する。白金（II）アセチルアセトナート（20 mg / ml）と鉄（II）アセチルアセトナート（20 mg / ml）をペンタデカンとオレイルアミン（7:3 vol / vol）のまたはペンタデカン、オレイルアミンの混合物の混合溶媒に溶解し、たオレイン酸（6時03分01秒容量/ vol / vol）をsurfactanを比較するために使用されトン効果。 3。反応溶液を読み込む<ol><li>反応液の約50 NLはシリンジとテフロンナノチューブ（コール - パーマーから購入し、IL）を用いて、液晶セル内の貯水池の1つにロードされます。その後、他の貯水池は、同じ方法で満たされている。 </li><li>反応液の約30 plは毛細管力によって細胞に引き込まれ、表示ウィンドウには2つのシリコン窒化膜の間に挟まれた液体層（〜100 nm）を形成している。 </li><li>液体セルは、その後、薄い銅カバー（テッドペラ社から購入したシングルスロット0.6ミリメートル径の穴、で〜50μmのTEMグリッド）を使用して密封されている。真空グリースは、カバーの片面に塗布し、エポキシは液体セルの端をシールするために使用されていました。最終液体セルの合計の厚さは250から300程度である。 </li></ol> 4。 TEMに液体セルを読み込む<ol><li> 300キロボルトで運転JEOL 3010 TEMとFEI単色F20ユタテックnaiがその場イメージングのために使用され、200kVで運営しています。 </li><li>液体セルは、イメージングのための標準的なTEM試料として顕微鏡にロードされます。 </li></ol> 5。リアルタイムTEMイメージング<ol><li>完璧な高分解能TEM撮像状態顕微鏡を調整し、1から8×10 5 / m 2のビーム電流密度をリアルタイムイメージングの間、維持される。 </li><li> PTFEシステムでは、ナノ粒子の核生成と成長、液体層の上に電子ビームをキャストすることによって開始することができます。 </li><li>ガタンDigitalMicrographソフトウェアと組み合わせてVirtualDubのソフトウェアは、ナノ粒子のダイナミクスを記録するために利用される。 </li></ol>

<ol><li>de Jonge, N., Ross, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electron+microscopy+of+specimens+in+liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Electron microscopy of specimens in liquid.</a> Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).</li>
<li>Sun, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Watching+nanoparticle+kinetics+in+liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Today%22%5BJournal%5D)">Watching nanoparticle kinetics in liquid.</a> Mater. Today. 15, 140-147 (2012).</li>
<li>Tao, F., Salmeron, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+Situ+Studies+of+Chemistry+and+Structure+of+Materials+in+Reactive+Environments%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments.</a> Science. 331, 171-174 (2011).</li>
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<li>Park, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+Observation+of+Nanoparticle+Superlattice+Formation+by+Using+Liquid+Cell+Transmission+Electron+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy.</a> Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).</li>
</ol>

特別な利害関係は宣言されません。

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...

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フレーム）を提供し、これらの新たに開発された液体の細胞は、それが可能な液体中にコロイドナノ粒子のダイナミクスを研究するために作った。液体セルは標準TEMホルダーにフィットし、定期的なTEM試料として動作させることができる。少量の液体（約30ピコリットル）を拡張化学反応でその場で調べることができます。さまざまなイメージングおよび分析（ すなわち 、エネルギー分散型X線分光法）技術を適用することができる。観察窓（膜などの厚さの合計以来と液体層）100nm以下に制御することができ、金ナノ粒子マーカーなし液体水における生体試料の直接イメージング（ すなわちタンパク質 ）が8も達成されています。 過去20年間で、コロイド状ナノ結晶9-11の合成と応用に大きな成果がありました。しかし、液体中でお互いに成長し、どのように相互作用するかをナノ粒子の核生成し、理解することは、主として経験、ほとんど11月13日域外分析に基づいています。液晶セルTEMの我々の開発は 、in situ 5,7,14,15 で液体中のナノ粒子の動的なプロセスを研究するためのユニークなプラットフォームを提供します。 我々は、順次微細加工プロセスによる極薄シリコンウエハ（100μm）を使用して、自己完結型の液晶セルを作製する。これは、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、スペーサー堆積し、セルが含まれています反応液を50ナノリットルについてボンディングなどが毛細管力によって細胞内に引き込まれる貯水池にロードされます。我々は、液体の別の50ナノリットルと他のリザーバを埋める。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。顕微鏡の中では、2窒化シリコン膜（30ピコリットル合計約）の間に挟まれた液体を調べることができます。電子ビームは薄い液体の層を通過する際に、液体中のナノ粒子の動的なプロセスをリアルタイムにモニタリングすることができます。ナノ粒子の核生成と成長が外部加熱源14,16によってトリガすることができますいくつかの例5,7または反応で電子ビームによって誘導することができる。電子ビームによる損傷が懸念される場合には、低電子ビーム電流（線量）を使用する必要があります。 液体セルは、シリコン微細加工プロセスから、大規模なバッチ、膜または液体の変動で製造されているので、個々のセル間の液膜厚は、SmalのL6することができます。基本的な微細加工の訓練を持つすべての研究者が成功した細胞液を作ることができます。リキッドハンドリング技術とTEMその場で動作も練習後に習得することができます。これは、閲覧ウィンドウとしてシリコン窒化膜を用いた以外、二酸化シリコン、シリコンや炭素（グラフェンを含む）のような他の材料を膜ウィンドウだけでなく、17から19として使用することができることに留意されたい。以来、無膜の膨らみ小さな視野の窓、 すなわち 、1×50μmを用いて、我々の液体細胞が観察されている。そして、液体セルにも動作するように堅牢で、液体の細胞の1％以下、すなわち実験中に窓を壊してしまった。また、液体層の厚さも柔軟に堆積インジウムスペーサーの厚さを変えることによって調整することができる。試料調製時には、密封された液体セルは、漏出無しとの数日間液体を維持することができます。少量の液体ができますリアルタイムで拡張された化学反応の研究を可能にする電子ビームの下で数時間調べられる。 これまでのところ、我々は、薄い液体中のナノ粒子の拡散20,21、例えば、Ptの成長と合体が5,15のナノ粒子は、Biナノ粒子14およびPt 3の成長の成長変動を液体中のナノ粒子の可視化され、多くのユニークなダイナミックなプロセスを持っているさらに、ナノ粒子のビルディング·ブロック7等からFeナノロッドは、我々はまた、 例えば 、他の領域に2.7 nmの分解能8と液体の水のイメージングタンパク質をこの方法を適用している。要約すると、我々の液体セルのTEM技術は、材料科学、物理学、化学、生物学の基本的な問題の広い範囲の研究のための非常に貴重な開発であることが証明されています。我々は、液体TEMの今後の技術の進歩とアプリケーションのための大規模な余地があると信じて、それは確かに高いIMPAなります科学研究の広いスペクトルのCT。

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td> 試薬 </td></tr><tr><td>白金（II）アセチルアセトナート</td><td>アルドリッチ</td><td> 523038 </td><td></td></tr><tr><td>鉄（II）アセチルアセトナート</td><td>アルドリッチ</td><td> 413402 </td><td></td></tr><tr><td>ペンタデカン</td><td>アルドリッチ</td><td> P3406 </td><td></td></tr><tr><td>オレイルアミン</td><td>アルドリッチ</td><td> O7805 </td><td></td></tr><tr><td>オレイン酸</td><td>シグマ</td><td> O4137 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> 機器 </td></tr><tr><td> TEM </td><td> JEOL </td><td> JEOL 3010 </td><td></td></tr><tr><td>単色のTEM </td><td> FEI </td><td> F20ユ​​タTecnai </td><td></td></tr></tbody></table>

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

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

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。

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...

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。

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

以下の実験では、透過型電子顕微鏡を用いて、液体中の物質の動的過程を高い空間分解能でリアルタイムに研究することを目的としています。これは、まず極薄のシリコンウェーハから液体セルを微細加工することで実現されます。第2のステップとして、シリンジとテフロンナノチューブを使用して、100ナノリットルの反応溶液を細胞のリザーバーに注入します。次に、液体セルをカバーで密封します。次に、液体セルを標準TEMサンプルとしてTEMサンプルホルダーにロードし、サンプルホルダーを顕微鏡に挿入してin situTEM実験を行います。このプロセスは、サブナノメートル分解能のリアルタイムイメージングを使用して、白金3鉄化合物ナノワイヤの形成など、液体中のナノ粒子の動的成長を示しています。この自己完結型液体セル技術の主な利点は、薄い液体層を観察ウィンドウ内に保持して、化学反応を延長できるほど長く維持できることです。この手法は、液体中の材料の成長や変換ダイナミクスなど、材料科学や物理化学の重要な側面を明らかにすることができます。この方法は、ナノ結晶の成長と組み立てのメカニズムに関する洞察を提供することができます。また、生体材料をその本来の環境でイメージングするためにも使用できます。一般に、この方法に不慣れな個人は、液体セルを作成するために一連の製造プロセスが必要であり、研究所の小さな液体セルを処理するのが難しいため、苦労するでしょう。TM実験。私は常に、特にナノスケールで結晶がどのように成長し、変化するかに魅了されてきました。これらのプロセスが液体で起こっていることには多くの謎があります。私たちの液体セル法は、コロイドナノ結晶の成長だけでなく、高い空間的および時間的分解能を必要とする液体中のさまざまなプロセスに関する研究分野全体を切り開きました。この手順を実証するのは、私の研究室の2人のポスドクです。NuとHongの液体セルの微細加工はクリーンルームで行われ、極薄シリコンウェーハを使用して液体セルの微細加工を開始します。これらのウェーハは、厚さ100マイクロメートル、4インチのエンドタイプシリコーンウェーハです。シリコンウェーハの両面に20ナノメートルの低応力窒化ケイ素膜を堆積させます。次に、ボトムチップの中央にあるファブリケーターのビューイングウィンドウ。一番上のチップには、2つの貯留層と表示窓の堆積物が含まれています。光学顕微鏡を使用して下部チップ上のインジウムスペースを、上部と下部のチップの覗き窓を揃えて接着します。まず、20ミリグラムのプラチナ、2つのアセチルアセテート、および20ミリグラムのIN2アセチルエイトを計量します。次に、白金とイオンの反応溶液を、白金とイオンを1ミリリットルのペンタディケイドとオラに結合することにより調製され、体積対体積比が7〜3を目指します。次に、テフロンナノチューブを装着したシリンジに反応溶液を装填します。次に、シリンジを使用して、約50ナノリットルの反応溶液を液体リザーバーに注入します。電子透過窓を汚染しないように注意しながら、反応溶液は毛細管現象によって細胞内に引き込まれ、2つの窒化ケイ素観察窓の間に約100ナノメートルの液層を形成します。注入を続けて、もう一方のリザーバーに追加の50ナノリットルの溶液を充填します。真空グリースを使用して薄い銅製TEMグリッドで液体セルを覆い、密閉します。透過型電子顕微鏡またはTEMでイメージングを開始するには、調製した液体セルをTEMサンプルホルダーにロードします。サンプルホルダーに配置したら、液体セルをTEMに挿入します。ここに示されているのは、300キロボルトで動作するA-J-E-O-L 30 10 TEMです。サンプルを配置した状態で、ビーム電流密度が10の1〜8倍1メートル平方アンペアの1〜8倍を使用して、顕微鏡を完全な高分解能TEMイメージング条件に調整します。これにより、液体層内のナノ粒子の核形成と成長が開始され、仮想ダブおよびガタンデジタル顕微鏡写真プログラムを使用してナノ粒子のダイナミクスのリアルタイムモニタリングが開始されます。電子ビームに曝露されると、白金3鉄化合物ナノ粒子の核形成と成長が起こります。ナノ粒子は、モノマーの結合または小さなナノ粒子間の合体のいずれかによって4〜5ナノメートルに成長します。時間の経過とともに反応すると、形状指向性ナノ粒子の付着が起こり、ナノワイヤが形成されます。この場合、白金3鉄化合物ナノワイヤの成長は界面活性剤によって変化しました。界面活性剤オレイン酸を反応溶液に添加すると、ペント、デカン、オールアミンのみの溶媒中のナノワイヤーよりも細くまっすぐなナノワイヤーが得られます。短いナノワイヤーが結合して長いナノワイヤーを形成することが可能です 一度取り付けると、ワイヤーは時間の経過とともにまっすぐになる傾向があります。この手順を試みる際には、サンプルを顕微鏡にロードする前にLIセルを十分に密封することを覚えておくことが重要です。この技術は、材料科学と化学の分野の研究者が、液体およびナノスケールでの結晶成長と材料変換ダイナミクスを探求する道を開きました。反応性ソリューションでの作業は危険な場合があることを忘れないでください。常に予防策を講じる必要があります。実験を行う際には、手袋を着用し、安全眼鏡を着用し、白衣を着用し、材料を適切に廃棄してください。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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液体-ソフトマター相互作用観察のための光誘起 In situ 透過型電子顕微鏡

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液体および氷中のウイルス集合体の高解像度イメージングの進歩

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透過型電子顕微鏡ワークフロー、結果分析、データ管理へのマシンビジョンアプローチ

学ぶ透過型電子顕微鏡を用いた液体セル技術でナノ粒子の動的成長過程をリアルタイム観察する方法。サブナノメートル分解能でナノ材料の形成メカニズムを解明し、材料科学の研究を推進します。

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

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