Method Article

Odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych

DOI:

10.3791/50122

⸱

December 20th, 2012

 ,  , 
1Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opracowaliśmy niezależną komórkę cieczową, która umożliwia obrazowanie przez ciecze za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Dynamiczne procesy zachodzące w nanocząstkach w cieczach mogą być ujawniane w czasie rzeczywistym z rozdzielczością subnanometrową.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ostatnie osiągnięcie w zakresie transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ, która umożliwia obrazowanie przez ciecze o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, wzbudziło znaczące zainteresowanie w dziedzinach badawczych inżynierii materiałowej, fizyki, chemii i biologii. Kluczową technologią wspomagającą jest płynne ogniwo. Wytwarzamy płynne ogniwa z cienkimi okienkami w sekwencyjnym procesie mikrowytwarzania, w tym osadzanie membrany z azotku krzemu, modelowanie fotolitograficzne, trawienie płytek, klejenie komórek itp. Płynna cela o wymiarach zwykłej siatki TEM może zmieścić się w każdym standardowym uchwycie na próbki TEM. Około 100 nanolitrów roztworu reakcyjnego jest ładowane do zbiorników, a około 30 pikolitrów cieczy jest wciągane do okien widokowych przez siłę kapilarną. Następnie komórka jest zamykana i ładowana do mikroskopu w celu obrazowania in situ. Wewnątrz TEM wiązka elektronów przechodzi przez cienką warstwę cieczy umieszczoną między dwiema membranami z azotku krzemu. Dynamiczne procesy zachodzące w nanocząstkach w cieczach, takie jak zarodkowanie i wzrost nanokryształów, dyfuzja i składanie nanocząstek itp., zostały zobrazowane w czasie rzeczywistym z rozdzielczością poniżej nanometra. Zastosowaliśmy tę metodę również w innych obszarach badawczych, np. w obrazowaniu białek w wodzie. Płynna komórka TEM może odegrać ważną rolę w ujawnianiu dynamicznych procesów zachodzących w materiałach w ich środowiskach pracy. Może to również mieć duże znaczenie w badaniu procesów biologicznych zachodzących w ich rodzimym środowisku.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badanie reakcji chemicznych w cieczach w czasie rzeczywistym oraz obrazowanie materiałów biologicznych w ich naturalnym środowisku były przedmiotem znacznego zainteresowania w dziedzinach badawczych1-5. Ze względu na wysoką rozdzielczość przestrzenną transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), obrazowanie przez ciecze za pomocą TEM przyciągnęło wiele uwagi4,5. Jednak obrazowanie próbek cieczy za pomocą TEM było dużym wyzwaniem, ponieważ konwencjonalny mikroskop jest eksploatowany w środowisku wysokiej próżni. Ponadto próbki cieczy muszą być wystarczająco cienkie, aby umożliwić przejście wiązki elektronów. Williamson i wsp.6 stwierdziło, że obrazowanie elektrochemicznego osadzania Cu można uzyskać z rozdzielczością 5 nm przy użyciu elektrochemicznego ogniwa cieczowego działającego w TEM. De Jonge i wsp.1 był w stanie zobrazować próbki biologiczne przez wodę o grubości kilku mikrometrów za pomocą skanującego (S) TEM. Niski kontrast próbek biologicznych nie został podniesiony jako problem, ponieważ nanocząstki złota były używane jako markery do obrazowania. Gęsta próbka cieczy również nie stanowiła problemu, ponieważ zastosowano tryb obrazowania STEM i osiągnięto rozdzielczość nanometrową. Niedawno opracowaliśmy niezależną komórkę cieczową, która umożliwia obrazowanie TEM koloidalnych nanocząstek w cieczach w czasie rzeczywistym o rozdzielczościsubnanometrowej 5,7. Te nowo opracowane ogniwa cieczowe, które oferują lepszą rozdzielczość i szybsze obrazowanie TEM (30 klatek na sekundę, co nie zostało osiągnięte przez obrazowanie STEM o wysokiej rozdzielczości), umożliwiły badanie dynamiki koloidalnych nanocząstek w cieczach. Ciekłe kuwety mieszczą się w standardowym uchwycie TEM i mogą być eksploatowane jak zwykłe próbki TEM. Niewielka ilość cieczy (około 30 pikolitrów) może być badana in situ w wyniku rozszerzonej reakcji chemicznej. Można stosować różne techniki obrazowania i analizy (np. spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii). Ponieważ całkowita grubość okienka obserwacyjnego (w tym membrany i warstwa cieczy) może być kontrolowana do 100 nm lub mniej, uzyskano również bezpośrednie obrazowanie próbek biologicznych (tj. białek) w ciekłej wodzie bez markerów nanocząstek złota 8.

W ciągu ostatnich dwóch dekad poczyniono znaczące osiągnięcia w zakresie syntezy i zastosowań nanokryształów koloidalnych9-11. Jednak wiedza na temat tego, w jaki sposób nanocząstki zarodkują, rosną i oddziałują ze sobą w cieczach, jest w dużej mierze empiryczna i opiera się głównie na analizach ex situ11-13. Opracowany przez nas TEM z płynnymi komórkami stanowi unikalną platformę do badania dynamicznych procesów zachodzących w nanocząstkach w cieczach in situ5,7,14,15.

Wytwarzamy samodzielną płynną komórkę przy użyciu ultra cienkich wafli krzemowych (100 μm) w sekwencyjnym procesie mikrofabrykacji. Obejmuje osadzanie membrany z azotku krzemu, modelowanie fotolitograficzne, trawienie wafli, osadzanie przekładki i klejenie komórek itp. Około 50 nanolitrów roztworu reakcyjnego ładuje się do zbiornika, który jest wciągany do ogniwa przez siłę kapilarną. Drugi zbiornik napełniamy kolejnymi 50 nanolitrami płynu. Następnie komórka jest uszczelniana i ładowana do mikroskopu w celu obrazowania in situ. Wewnątrz mikroskopu można zbadać ciecz umieszczoną między dwiema membranami z azotku krzemu (łącznie około 30 pikolitrów). Gdy wiązka elektronów przechodzi przez cienką warstwę cieczy, można monitorować dynamiczne procesy nanocząstek w cieczach w czasie rzeczywistym. Zarodkowanie i wzrost nanocząstek może być indukowany przez wiązkę elektronów, w niektórych przypadkach5,7 lub reakcje mogą być wywoływane przez zewnętrzne źródło ciepła14,16. Gdy uszkodzenie wiązki elektronów jest problemem, należy użyć prądu (dawki) o niskiej wartości wiązki elektronów.

Ponieważ ogniwa płynne są wytwarzane z procesów mikroprodukcji krzemu i w dużych partiach, różnice w grubości membrany lub cieczy między poszczególnymi komórkami płynu mogą być niewielkiel6. Każdy badacz, który ma podstawowe przeszkolenie w zakresie mikrofabrykacji, może z powodzeniem wytwarzać płynne komórki. Technikę obchodzenia się z cieczami i operację TEM in situ można również opanować po nabraniu wprawy. Należy zauważyć, że oprócz stosowania membran z azotku krzemu jako okien obserwacyjnych, inne materiały, takie jak dwutlenek krzemu, krzem lub węgiel (w tym grafen) mogą być również stosowane jako okno membranowe17-19. Ponieważ nasze płynne komórki używają małych okienek obserwacyjnych, tj. 1 x 50 μm, nie zaobserwowano wybrzuszenia błon. Płynna komórka jest również odporna na działanie, tj. poniżej 1% płynnych komórek ma wybite szyby podczas eksperymentów. Ponadto grubość warstwy cieczy można również elastycznie dostrajać, zmieniając grubość osadzonej przekładki indowej. Podczas przygotowywania próbki szczelnie zamknięta cela cieczy może utrzymywać płyny przez kilka dni bez wycieków. Niewielka ilość cieczy może być badana przez kilka godzin pod wiązką elektronów, co pozwala na badanie rozszerzonej reakcji chemicznej w czasie rzeczywistym.

Do tej pory zobrazowaliśmy wiele unikalnych procesów dynamicznych nanocząstek w cieczach, na przykład wzrost i koalescencję nanocząstek Pt5,15, dyfuzję nanocząstek w cienkich cieczach20,21, fluktuację wzrostu nanocząstek Bi14 i wzrost nanoprętów Pt3Fe z bloków budulcowych nanocząstek7, itd. Ponadto zastosowaliśmy tę metodę również w innych obszarach, np. obrazowaniu białek w ciekłej wodzie o rozdzielczości 2,7 nm8. Podsumowując, udowodniono, że nasza technika TEM z płynnymi komórkami jest bardzo cennym osiągnięciem w badaniu szerokiego zakresu podstawowych zagadnień w materiałoznawstwie, fizyce, chemii i biologii. Uważamy, że wciąż istnieje duża przestrzeń dla przyszłego postępu technicznego i zastosowań płynnego TEM i z pewnością będzie on miał duży wpływ na szerokie spektrum badań naukowych.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Mikrofabrykacja komórek płynnych

  1. Przygotuj płytki krzemowe (domieszkowane p, o grubości 100 μm i średnicy 4 cali) i wyczyść płytki za pomocą standardowej procedury czyszczenia w kąpieli waflowej.
  2. Osadzanie cienkich warstw azotku krzemu o niskim naprężeniu (o grubości 20 nm) po obu stronach płytek krzemowych metodą niskociśnieniowego chemicznego osadzania z fazy gazowej (LPCVD). Do osadzania wykorzystywana jest specjalnie opracowana receptura, która umożliwia wzrost azotku bogatego w krzem (SiNx, x<4/3).
  3. Wytwarzać dolny układ scalony (2,6 × 2,6 mm; o średnicy 3 mm) z okienkiem kontrolnym (1 × 50 μm) oraz górny układ scalony (2,6 × 2,6 mm; 3 mm średnicy) z okienkiem kontrolnym (1 × 50 μm) i dwoma zbiornikami (0,6 × 1,2 × 0,1 mm), postępując zgodnie z sekwencją standardowych procesów produkcyjnych, w tym modelowanie fotolitograficzne, wytrawianie plazmowe membrany SiNx (przy użyciu SF6 jako gazu aktywnego), trawienie na mokro KOH odsłoniętej płytki krzemowej itp. Stosujemy najpowszechniejszy proces fotolitograficzny, taki jak powlekanie spinowe fotorezystu (fotorezystor dodatni o prędkości wirowania 3 000 obr./min przez 1 min; grubość fotorezystu wynosi około 1 μm), naświetlanie UV pod maską Cr komórek cieczowych, modelowanie litograficzne przy użyciu wywoływacza i utrwalacza (woda dejonizowana) itp. Istnieją różne możliwości wyboru fotorezystu do powlekania wirowego i wywoływacza do modelowania. Odpowiednie parametry procesów mogą się również różnić. Ponieważ cechy wzoru są stosunkowo duże (setki μm lub więcej), proces ten jest łatwy do wykonania. Roztwór KOH przygotowuje się przez rozpuszczenie wodorotlenku potasu w wodzie dejonizowanej o stosunku wodorotlenku potasu do masy wody wynoszącym 1:2. Roztwór KOH utrzymuje się w temperaturze 80 °C podczas trawienia. Można osiągnąć szybkość wytrawiania 1 μm na minutę. Membrana SiNx to idealna maska ochronna do wytrawiania KOH krzemu. Ponieważ stosowane są linie do wytrawiania, poszczególne wióry są łączone cienkimi liniami wytrawionego wafla po wytrawieniu KOH. Kawałki wiórów można łatwo oddzielić od wafla za pomocą ostrej pęsety do kolejnych procesów. Nie jest potrzebny proces krojenia w kostkę.
  4. Umieść przekładkę indu na płaskiej stronie dolnego chipa. Po pierwsze, wykonaj litograficzne wzory chipów, postępując zgodnie z podobnym procesem w 1.3. Aby ułatwić obsługę wiórów, przyklej pojedyncze wióry (może to być kawałek kilku wiórów) na cienkiej tafli szkła za pomocą fotorezystu i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez 5 minut przed wirowaniem, ekspozycją na promieniowanie UV itp. Po drugie, wyczyść wzorzyste wióry za pomocą czyszczenia plazmowego O2 o mocy 50 watów przez 1 minutę; Po trzecie, nałóż cienką warstwę indu o grubości 100 nm na chipie za pomocą parownika; Po trzecie, przeprowadzany jest proces lift-off w celu wygenerowania przekładki indu.
  5. Połącz ze sobą dolny i górny żeton. Najpierw ustawiamy dwa okienka podglądu z azotku krzemu dolnego i górnego chipa pod mikroskopem optycznym i przykładamy nacisk około 0,1 MPa za pomocą zacisku. Wymaga to wprawy, aby precyzyjnie wyrównać okna względem siebie. Następnie komórki płynów są wypiekane w piecu próżniowym w temperaturze 120 °C przez 1 godzinę. Na koniec zbieramy ogniwa i przechowujemy przygotowane ogniwa w eksykatorze próżniowym do wykorzystania w przyszłości.

Cały proces produkcji jest pokazany na rysunku 1. Wszystkie procesy produkcyjne przeprowadzamy w Laboratorium Nanofabrykacji Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.

2. Przygotowanie roztworów reakcyjnych

Przygotowujemy roztwory reakcyjne dla wzrostuPt 3Fe nanoprętów jako przykład. Octyloacetonian platyny (II) (20 mg/ml) i acetyloacetonian żelaza (II) (20 mg/ml) rozpuszczono w mieszaninie rozpuszczalników pentadekanu i oleiloaminy (7:3 obj./obj.) lub mieszaninie pentadekanu, oleylaminy i kwasu oleinowego (6:3:1 obj./obj./obj.) stosuje się do porównania działania środków powierzchniowo czynnych.

3. Rozwiązania reakcji na obciążenie

  1. Około 50 nl roztworu reakcyjnego umieszcza się w jednym ze zbiorników w ciekłej komórce za pomocą strzykawki i nanorurek teflonowych (zakupionych od Cole-Parmer, IL). Następnie drugi zbiornik jest napełniany w ten sam sposób.
  2. Około 30 pl roztworu reakcyjnego jest wciągane do komórki przez siłę kapilarną i tworzy warstwę cieczy (~100 nm) umieszczoną między dwiema membranami z azotku krzemu w okienku podglądu.
  3. Ciekła cela jest następnie uszczelniana za pomocą cienkiej miedzianej osłony (siatka TEM ~50 μm z pojedynczym otworem o średnicy 0,6 mm, która została zakupiona od Tedd Pella, Inc.). Smar próżniowy został nałożony po jednej stronie pokrywy, a żywica epoksydowa została użyta do uszczelnienia krawędzi płynnej komórki. Całkowita grubość końcowej ciekłej komórki wynosi około 250-300 μm.

4. Załaduj płynne komórki do TEM

  1. Do obrazowania in situ stosuje się JEOL 3010 TEM pracujący przy napięciu 300 kV oraz monochromatyczny F20 UT Tecnai FEI pracujący przy napięciu 200 kV.
  2. Płynna komórka jest ładowana do mikroskopu jako standardowa próbka TEM do obrazowania.

5. Obrazowanie TEM w czasie rzeczywistym

  1. Dostosuj mikroskop do idealnych warunków obrazowania TEM o wysokiej rozdzielczości, a gęstość prądu wiązki 1-8 ×10 5 A/m2 zostanie utrzymana podczas obrazowania w czasie rzeczywistym.
  2. W przypadku systemu PtFe zarodkowanie i wzrost nanocząstek można zainicjować poprzez rzucenie wiązki elektronów na warstwę cieczy.
  3. Oprogramowanie VirtualDub w połączeniu z oprogramowaniem Gatan DigitalMicrograph służy do rejestrowania dynamiki nanocząstek.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Korzystając z metody TEM z płynnych komórek, zobrazowaliśmy wzrost roztworu nanoprętówPt 3Fe z nanocząsteczek budulcowych. Rysunek 2 przedstawia sekwencyjne obrazy przedstawiające trajektorię wzrostu nanopręta Pt3Fe w różnych warunkach roztworu. Zastosowano fałszywy proces kolorowania za pomocą Photoshopa, aby podkreślić nanocząsteczki.

Gdy użyto mieszaniny rozpuszczalników pentadekanu i oleyloaminy (7:3 vol/vol), można zidentyfikować trzy różne etapy wzr...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie procesy produkcyjne zostały wykonane w clean roomie, w którym produkowane są urządzenia półprzewodnikowe.

Przed osadzaniem indu, O2 konieczne jest plazmowe czyszczenie wiórów w celu wyeliminowania pozostałości organicznych na powierzchni. W ten sposób można uzyskać wysokiej jakości przekładkę indu, która może poprawić wiązanie górnych i dolnych wiórów oraz wydajność szczelnych komórek cieczowych.

Okna obserwacyjne z azotku krzemu z ultracienką...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zheng dziękuje Prof. A. Paulowi Alivisatosowi i Dr. Ulrichowi Dahmenowi za pomoc. dyskusje podczas wczesnego rozwoju ogniw płynnych EM. Jest wdzięczna za wsparcie, jakie udzielają jej Program Badawczy Wczesnej Kariery Biura Nauki DOE.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Reodczynniki
Acetyloacetonian platyny(II)Aldrich523038
acetyloacetonian żelaza(II)Aldrich413402
pentadecaneAldrichP3406
oleylaminaAldrichO7805
kwas oleinowySigmaO4137
Sprzęt
TEMJEOLJEOL 3010
Monochromatyczny TEMFEIF20 UT Tecnai

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
  2. Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
  3. Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
  4. de Jonge, N., Poirier-Demers, N., Demers, H., Peckys, D. B., Drouin, D. Nanometerresolution electron microscopy through micrometers-thick water layers. Ultramicroscopy. 110, 1114-1119 (2010).
  5. Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
  6. Williamson, M. J., Tromp, R. M., Vereecken, P. M., Hull, R., Ross, F. M. Dynamic microscopy of nanoscale cluster growth at the solid-liquid interface. Nature Materials. 2, 532-536 (2003).
  7. Liao, H. -G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
  8. Mirsaidov, U. M., Zheng, H., Casana, Y., Matsudaira, P. Imaging Protein Structure in Water at 2.7 nm Resolution by Transmission Electron Microscopy. Biophysical Journal. 102, L15-L17 (2012).
  9. Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
  10. Kan, S., Mokari, T., Rothenberg, E., Banin, U. Synthesis and size-dependent properties of zinc-blende semiconductor quantum rods. Nature Materials. 2, 155-158 (1038).
  11. Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
  12. Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
  13. Zhang, Q. B., Xie, J. P., Yang, J. H., Lee, J. Y. Monodisperse Icosahedral Ag, Au, and Pd Nanoparticles: Size Control Strategy and Superlattice Formation. Acs Nano. 3, 139-148 (2009).
  14. Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
  15. Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
  16. Xin, H. L., et al. Revealing Correlation of Valence State with Nanoporous Structure in Cobalt Catalyst Nanoparticles by In Situ Environmental TEM. ACS Nano. 6, 4241-4247 (2012).
  17. Daulton, T. L., Little, B. J., Lowe, K., Jones-Meehan, J. In situ environmental celltransmission electron microscopy study of microbial reduction of chromium(VI) using electron energy loss spectroscopy. Microscopy and Microanalysis. 7, 470-485 (2001).
  18. Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
  19. Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
  20. Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. Nanocrystal Diffusion in a Liquid Thin Film Observed by in Situ Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 9, 2460-2465 (2009).
  21. Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Liquid Cell TEMSilicon Nitride MembraneNanoparticle GrowthReal time ImagingSub nanometer ResolutionCapillary Force LoadingTEM Sample HolderPlatinum Iron NanowiresCrystal Growth DynamicsBiological Materials Imaging

Related Articles