ハイブリッド原子間力顕微鏡走査型電気化学顕微鏡(AFM-SECM)を用いたナノ材料の表面電気化学的活性の調査

このプロトコルは、原子間力顕微鏡と呼ばれる強力で革新的な技術を、水中のファセットナノ材料とナノバブルの形態学的および電気化学的情報をスキャンするAFM-SECMである電気化学薬品スキャン顕微鏡と組み合わせたものです。AFM-SECMは、先端電流画像に基づいて電気化学的反応性表面をマッピングすることができ、また、ナノスケールの表面構造とサンプル材料の電気化学情報の同時取得を可能にします。この方法のサンプル調製では、固体粒子が基板上に完全に固定化され、サンプルと基板間の結合が電気伝導性を保証する必要があります。

レドックスメディターの選択も同様に重要です。さらに、イメージングプロセスの下で発生するサンプル準備システムなど、このプロトコルで専用の別々の操作の下で開催されたことを実際に示すデモが必要です。ピペットチップを使用して洗浄されたシリコンウエハに10マイクロリットルのエポキシを堆積させ、きれいなガラススライドでタイル張りします。

約5分後、エポキシ被覆シリコンウエハース基板上に10マイクロリットルの銅酸化物ナノ粒子懸濁液を滴下する。その後、基板を摂氏40度または6時間で真空乾燥させます。酸素ナノバブルを調製するには、チューブラーセラミック膜を通して圧縮酸素を脱イオン水に直接注入します。

電気化学サンプルセルの金基質にナノバブル懸濁液1.8ミリリットルを堆積させ、10分間安定させる。既存のサンプル・チャンクを SECM チャンクに置き換えます。その後、2つのM3、6 mmソケットヘッドキャップネジ、2.5ミリメートルの六重レンチを使用して所定の位置にねじ込みます。

ひずみ解放モジュールをAFMスキャナに取り付け、延長ケーブル付きスプリングコネクタブロックの作動電極コネクタに接続します。2 つのソフトウェア アイコンをダブルクリックして、AFM システムと、ポテンショスタットによる制御インターフェイスを初期化します。静電気放電フィールド、静電気防止パッド、静電放電保護プローブスタンド、ウェアラブル帯電防止手袋、リストストラップを含む表面パッケージを用意します。

AFM スキャナが液体に曝されないようにするには、AFM-SECM テストで保護ブートを使用します。プローブホルダーを静電気放電保護プローブスタンドに置き、プラスチック製のピンセットを使用して保護ブーツをチップホルダーに取り付けます。次に、保護ブーツの小さなカットをプローブホルダーのノッチに合わせます。

AFM-SECMプローブのボックスを先端のトゥイザーで開き、プローブを溝の両側からつかみます。ディスクグリッパーを使用してプローブホルダーをスタンドに保持し、プローブワイヤーをスタンドの穴に入れます。次に、プローブをプローブホルダーのスロットにスライドさせます。

プローブがスロットの内側に入ったら、トゥイーザーの平らな端を使用して押し込みます。プローブホルダー全体をスキャナーに取り付け、PTFEチップのトゥイザーを使用して銅リングのすぐ下のワイヤをつかんでモジュールに接続します。その後、スキャナーを鳩尾に戻します。

以前に組み立てた電気化学サンプルセルをテストサンプルとともにSECMチャンクの中心点に置きます。次に、擬似参照電極と対向電極をばねコネクタブロックに接続します。AFM-SECM ソフトウェアで、SECM ピークフォース QNM を選択してワークスペースをロードします。

セットアップでは、SECMプローブをロードし、アライメントステーションを使用してレーザーを先端に合わせます。ナビゲーションに移動し、サンプルサーフェスに焦点を合わせるには、スキャナーをゆっくりと下に移動します。電気化学サンプルセルの位置を少し調整して、スキャナーが移動中にサンプルセルのガラスカバーに触れないようにします。

サンプルに焦点を合わせ、ブラインドエンゲージポジションの更新をクリックします。クリックして流体位置を追加し、サンプルセルに約1.8ミリリットルのバッファー溶液を追加します。溶液のレベルがガラスカバーよりも低く、ワイヤーが溶液に浸かっていることを確認し、ピペットを使用して溶液を攪拌して気泡を取り除き、5分間待ちます。

クリックして、チップをバッファソリューションに戻すブラインドエンゲージポジションに移動します。レーザーを少し調整して、レーザーが先端に揃っていることを確認します。電気化学ワークステーションソフトウェアを開き、ツールバーのテクニックコマンドをクリックして技術セレクタを開きます。

[開回路電位時間]を選択し、デフォルト設定を使用して、ほぼゼロで安定しているOCP測定を実行します。もう一度テクニックコマンドをクリックし、サイクリックボルタンメトリーを選択し、サイクリックボルタンメトリーパラメータを入力してSECMイメージングに進みます。AFM-SECMソフトウェアに戻り、エンゲージをクリックします。

次にクロノアンペロメトリーを選択し、最初にマイナス0.4ボルトのパルス幅を1000秒とCVスキャンと同じ感度でクロノランペロメトリーパラメータを設定します。プログラムを実行している状態で、AFM-SECMソフトウェアに戻ってストリップチャートのリアルタイム読み取りを確認し、スタートをクリックします。AFM-SECM ソフトウェアにイメージを保存します。

電気化学サンプルセルをきれいな水容器として使用し、ナビゲーションパネルのブラインドエンゲージ機能でチップを液体に出入りさせ、水を3回交換します。次に、クリーンワイプを使用してプローブホルダーから残った水を慎重に取り除き、プローブをプローブボックスに戻します。このプロトコルは、個々の酸素ナノバブルを特徴付けるために使用され、形態学的および電気化学的情報の両方を明らかにした。

地形と現在の画像の比較は、ナノバブルの位置と現在のスポットとの相関関係を示しています。酸化銅ナノ粒子の地形と現在の画像をここに示します。先端電流画像は、地形画像に見えるナノ粒子が明らかな電流スポットと関連していることを示しています。

一方、バックグラウンド電流は平らシリコン基板に対応する。ここでは、基板から約1ミリメートルでAFM-SECM先端の5つの代表的な環状ボルタンメトリー曲線を示します。拡散限られた先端電流は時間とともに減少しなかった。

先端がサンプルサーフェスに近づくと、先端電流の変化がプロットされます。AFM-SECM先端は、物理的な先端基板の接触または曲げを示す設定点に達するまで、基板表面をZ方向に近づいた。このプロトコルが基板として固相化していることを確認する場合は、それらは完全に電気伝導性であり、サンプルセル内の溶液中に気泡がないことを確認します。

サンプル調製方法は、ナノ材料、特にナノ材料の特性評価に関する幅広い用途に関連しています。AFM-SECM技術は、ナノ材料の開発と応用に重要なナノスケールでの同時地形と電気化学画像を得るために使用することができます。