Tomografia rentgenowska z dyspersją energii do mapowania pierwiastkowego 3D pojedynczych nanocząstek

Podsumowanie

Opisano zastosowanie tomografii rentgenowskiej z dyspersją energii w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym do scharakteryzowania rozkładów pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach w trzech wymiarach.

Streszczenie

Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym (STEM) zapewnia dokładną analizę pierwiastkową o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, a nawet jest w stanie dostarczyć mapy pierwiastkowe o rozdzielczości atomowej. W tej technice silnie skupiona wiązka elektronów pada na cienką próbkę, a energia emitowanego promieniowania rentgenowskiego jest mierzona w celu określenia atomowych gatunków materiału na drodze wiązki. Ta wrażliwa na pierwiastki technika spektroskopii może zostać rozszerzona do trójwymiarowego obrazowania tomograficznego poprzez uzyskanie obrazów o wielu widmach z próbką nachyloną wzdłuż osi prostopadłej do kierunku wiązki elektronów.

Rozkłady pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach są często ważne dla określenia ich właściwości optycznych, katalitycznych i magnetycznych. Techniki takie jak tomografia rentgenowska i mapowanie rentgenowskie z dyspersją energii w skaningowym mikroskopie elektronowym zapewniają elementarnie czułe obrazowanie trójwymiarowe, ale zwykle są ograniczone do rozdzielczości przestrzennych > 20 nm. Tomografia sondy atomowej zapewnia rozdzielczość bliską atomowi, ale przygotowanie próbek nanocząstek do analizy sondą atomową jest często trudne. W związku z tym techniki wrażliwe na pierwiastki stosowane w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym są wyjątkowo przydatne do badania rozkładów pierwiastków w nanocząstkach o wymiarach 10-100 nm.

Tutaj spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDX) w STEM jest stosowana do badania rozkładu pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach AgAu. Zaobserwowano segregację powierzchni zarówno Ag, jak i Au, przy różnym składzie nanocząstek.

Wprowadzenie

Celem tej metody jest dokładne określenie trójwymiarowego rozkładu pierwiastków w pojedynczych nanocząstkach. Odbywa się to za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX) w połączeniu z rekonstrukcją tomograficzną wykonywaną w skaningowym transmisyjnym mikroskopie elektronowym (STEM).

Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii od dawna jest używana jako technika do ilościowego określania i przestrzennego mapowania pierwiastków obecnych w próbkach transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Wraz z pojawieniem się wysokokątowej pierścieniowej tomografii STEM ciemnego pola (HAADF) do trójwymiarowego obrazowania materiałów krystalicznych¹, zaproponowano również tomografię rentgenowską z dyspersją energii jako metodę umożliwiającą określenie rozkładów pierwiastków w trzech wymiarach². Jednak wczesne badania były ograniczone ze względu na konstrukcję detektorów promieniowania rentgenowskiego w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. W szczególności te tradycyjne konstrukcje detektorów miały stosunkowo niską skuteczność zbierania i nie mierzyły sygnału w dużym zakresie kątów nachylenia z powodu zacienienia z uchwytu próbki^2,3. Wprowadzenie nowych konstrukcji geometrycznych detektorów promieniowania rentgenowskiego w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (skaningowym) sprawiło, że tomografia rentgenowska z dyspersją energii stała się realną techniką i doprowadziła do wielu ostatnich badań^4-6.

Obrazowanie STEM HAADF jest szeroko stosowanym trybem obrazowania tomografii elektronowej i jest w stanie dostarczyć informacji o składzie w określonych sytuacjach w oparciu o czułość liczby atomowej intensywności sygnału HAADF. Na przykład tomografia HAADF dobrze nadaje się do badania nanocząstek z dyskretnymi regionami elementarnymi, np. dobrze zdefiniowanymi morfologiami rdzenia-powłoki⁷, ale nie może być stosowana, gdy pierwiastki mają bardziej skomplikowany rozkład. Spektroskopia strat energii elektronów (EELS) zapewnia uzupełniające podejście do określania trójwymiarowych rozkładów pierwiastków w obrębie STEM⁸. W tej technice straty energii padającej wiązki elektronów są wykorzystywane do określenia składu próbki, co ma tę zaletę, że stosunek sygnału do szumu jest wyższy niż często uzyskuje się za pomocą spektroskopii EDX⁹. Wadą EELS jest to, że względy wielokrotnego rozpraszania nakładają rygorystyczne ograniczenia na grubość próbki, a w kilku sytuacjach analiza jest skomplikowana ze względu na obecność opóźnionych krawędzi początkowych lub nakładających się cech spektralnych. W związku z tym spektroskopia EDX jest często lepiej przystosowana do badania ciężkich pierwiastków, takich jak te często związane z katalitycznymi lub plazmonicznymi układami nanocząstek⁹. Dodatkowo, ponieważ obraz o pełnym spektrum jest zbierany w spektroskopii EDX, łatwo jest retrospektywnie zidentyfikować nieoczekiwane elementy, co jest trudniejsze w transmisyjnej mikroskopii elektronowej z filtrem energii (EFTEM) i EELS ze względu na częstotliwość nakładania się informacji elementarnych lub znajdowania się poza zakresem widmowym zestawu danych.

Idealna geometria próbki do tomografii EDX składa się z próbki w kształcie igły zawieszonej w próżni i zorientowanej wzdłuż osi nachylenia tomograficznego⁴. Taka sytuacja zapewnia, że detektory EDX nie są zacienione pod żadnym kątem nachylenia ani przez próbkę, ani przez uchwyt próbki. Jednak montaż wymaganych próbek w kształcie igieł do systemów nanocząstek jest trudny¹⁰, a przygotowanie próbki zwykle polega po prostu na przeniesieniu nanocząstek na cienką siatkę nośną TEM z warstwy węglowej. Siatki te są używane z uchwytem na próbki tomograficzne specjalnie zaprojektowanym tak, aby można go było przechylać pod dużym kątem (≈±75°), ale zacienienie detektorów EDX w tym zakresie kątów nachylenia próbki jest nieuniknione i może pogorszyć jakość uzyskanej rekonstrukcji tomograficznej. To zacienienie jest charakterystyczne dla określonego układu mikroskop-detektor-uchwyt i dlatego można je określić poprzez pomiar odpowiedniej próbki kalibracyjnej przed akwizycją¹¹. Pojedyncze sferyczne nanocząstki są idealną próbką kalibracyjną, ponieważ intensywność zliczania promieniowania rentgenowskiego z tych próbek powinna pozostać stała we wszystkich kątach nachylenia. Zacienienie detektora można następnie skompensować poprzez zmianę czasu akwizycji pod każdym kątem lub przez pomnożenie ze współczynnikiem korekcyjnym po akwizycji danych. Pierwsze podejście jest stosowane, ponieważ minimalizuje dawkę elektronów, jednocześnie maksymalizując stosunek sygnału do szumu.

Protokół

1. Synteza nanocząstek

1. Rozpuścić 10 g poliwinylopirolidonu (PVP) (MW = 10 000 g/mol) w 75 ml glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej. Do tego roztworu dodać 400 mg_AgNO3
.
2. Mieszać roztwór, aż AgNO₃ całkowicie się rozpuści, a następnie podgrzać na płycie grzejnej do 100 °C ze stałą szybkością 1 °C ^min-1. Pozostawić reakcję w temperaturze 100 °C przez 1,5 godziny.
3. Dodać 175 ml wody destylowanej i schłodzić do temperatury pokojowej. Odwirować przy 8 000 x g, usunąć supernatant i ponownie rozproszyć nanocząstki w 50 ml wody destylowanej. Powtórz trzy razy.
4. Rozpuścić 500 mg PVP (55 000 g/mol) w 500 ml glikolu etylenowego w temperaturze pokojowej. Dodać ten roztwór i 27,8 ml zawiesiny nanocząstek Ag z poprzedniego etapu do kolby okrągłodennej o pojemności 1 000 ml. Podgrzewać kolbę w temperaturze 100 °C przez 10 min.
5. Dodać trójwodny wodorowodor tetrachloroauran do 1 000 ml wody, aby uzyskać 0,2 mM roztwór AuCl₄^-_(aq). Dodać kroplami 100, 200, 300 lub 400 ml podwielokrotności 0,2 mM AuCl₄^-_(aq) do roztworu otrzymanego w poprzednim etapie, aby otrzymać nanocząstki AgAu o średnim składzie: Ag93Au7 (Ag 93 at% Au 7 at%), Ag82Au18 (Ag 82 at% Au 18at%), Ag78Au22 (Ag 78 at% Au 22 at%) i Ag66Au34 (Ag 66 at% Au 18 at%).
6. Schłodzić do temperatury suchej, a następnie przemyć wodą destylowaną trzykrotnie w kolejnych rundach wirowania przy stężeniu 8 000 x g, usuwając sklarowany osad i redyspersję w 50 ml wody destylowanej. Dodać 0,05 ml roztworu nanocząstek do 10 ml wody demineralizowanej.

2. Przygotowanie próbki TEM

1. Odpipetować około 0,05 ml roztworu nanocząstek na dziurawą/ciągłą siatkę TEM z włókna węglowego. Użyj metalowego nośnika używanego do siatek TEM z berylu, aby ograniczyć fałszywe promieniowanie rentgenowskie, chociaż siatka Cu lub Au wystarczy, jeśli w widmie EDX próbki nie ma nakładających się pików zainteresowania z Cu lub Au. Używaj większych rozmiarów oczek (np. 200 oczek), aby zminimalizować możliwość zacienienia od siatki.
2. Po wyschnięciu roztworu nanocząstek należy oczyścić kratki TEM, myjąc je w czystym metanolu lub etanolu. Pipeta 10-20 upuszcza się na siatkę TEM, gdy jest trzymana za pomocą pęsety krzyżowej antykapilarnej. Usuń nadmiar płynu po każdej kropli z siatki za pomocą bibuły filtracyjnej delikatnie dotykanej krawędzi siatki.
3. Siatka wyżarzania w temperaturze około 80 °C (najlepiej w próżni) w celu zmniejszenia zanieczyszczenia pod wiązką elektronów poprzez usunięcie lub unieruchomienie wszelkich pozostałych zanieczyszczeń.

3. Charakterystyka cieniowania detektora

1. Załaduj nanocząstki z siatki nośnej TEM do uchwytu tomografii, a następnie włóż uchwyt do TEM.
2. Poczekaj, aż podciśnienie w mikroskopie osiągnie odpowiednią stabilną wartość (poniżej około 1.8 x ^10-7 Torr). Otwórz zawory kolumny i upewnij się, że wiązka elektronów jest widoczna na ekranie fluorescencyjnym mikroskopu.
3. Wyrównaj STEM.
   Uwaga: Tutaj opisano ustawienia dla instrumentu STEM Titan G2 z korekcją aberracji po stronie sondy działającego pod napięciem 200 kV wraz z uchwytem tomografu 2020. Optymalne procedury ustawiania dla innych mikroskopów mogą nieznacznie różnić się od opisanych.
   1. W trybie dyfrakcji STEM użyj nieostrego obrazu cienia, aby ustawić próbkę na wysokości eucentrycznej. Aby to zrobić, przechyl stolik w zakresie ± 15°, naciskając przycisk Alpha Wobbler na karcie Search (Szukaj) i zminimalizuj wszelkie ruchy obiektów w próbce, dostosowując wysokość z.
   2. Przesuń próbkę tak, aby wiązka znajdowała się nad otworem w próbce i upewnij się, że odpowiednia apertura kondensatora jest prawidłowo wyrównana, centrując cień apertury na niedostatecznie ostrym obrazie sondy. Wahaj intensywność i upewnij się, że skupiona sonda nie porusza się, aby sprawdzić, czy nie ma niewspółosiowości nachylenia wiązki.
   3. Przesunąć próbkę tak, aby obszar amorficznego węgla był widoczny i skupić wiązkę w trybie dyfrakcji, aby uzyskać Ronchigram. Chwiej, skup się, aby zaobserwować aberracje w obrębie Ronchigramu i skoryguj je (np. astygmatyzm i komę osiową), jeśli to konieczne.
4. Prześledź kontur kwadratu siatki (jeden blisko środka siatki), wybierając opcję "Pokaż utwory" w zakładce "Szukaj" i podążając za konturem kwadratu siatki podczas obrazowania. Ułatwia to zapewnienie, że kolejne pomiary są wykonywane dla nanocząstek, które znajdują się w środku kwadratu siatki, w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa zacienienia z siatki nośnej. Jeśli akwizycja jest przeprowadzana na cząstce znajdującej się w pobliżu pręta siatki, jedna para detektorów będzie zacieniona w znacznie większym zakresie kątów nachylenia próbki.
5. Znajdź reprezentatywną cząstkę w środkowej części kwadratu siatki. Przechyl do maksymalnego zakresu nachylenia uchwytu (zwykle ±70°) podczas obrazowania, aby upewnić się, że nanocząstka nie jest zasłonięta przez pręty siatki przy dużych pochyleniach uchwytu.
6. Rejestruj obrazy widma HAADF i EDX przy użyciu stałego czasu akwizycji (np. 5 minut) w pełnym zakresie kątów nachylenia (zwykle ± 70°) z krokami kątowymi w zakresie 5-10°. Najpierw uzyskaj ogólny obraz HAADF, klikając przycisk Pobierz w okienku obrazowania. Wybierz okno mapowania wokół nanocząstki, przeciągając pole nad tym obrazem i naciśnij Pobierz.
7. Wyodrębnij charakterystyczne zliczenia promieniowania rentgenowskiego z obrazów widma EDX, aby określić przedziały czasowe dla akwizycji danych, otwierając kostki danych spektralnych w oprogramowaniu do przetwarzania obrazu (jako pliki RAW). Następnie zsumuj intensywność wycinków kostki danych, które odpowiadają kanałom energii interesujących nas pików, używając funkcji slice2D i sum, skryptów dołączonych jako kod uzupełniający 1-3.

4. Akwizycja tomografii EDX

1. Powtórzyć kroki 3.1-3.5 dla próbki nanocząstek, która jest przedmiotem zainteresowania.
2. Uzyskaj obrazy widma HAADF i EDX w odstępach czasu określonych na podstawie charakterystyki cieniowania detektora z poprzedniej sekcji dla zakresu kątów nachylenia próbki (zwykle ± 70°), w taki sam sposób, jak w kroku 3.6.

5. Rekonstrukcja i wizualizacja

1. Skompiluj serię obrazów HAADF tilt do formatu pliku mrc za pomocą jednej z następujących metod:
   1. Użyj programu MRC Writer w oprogramowaniu do wizualizacji obrazów¹² (File > Save As > MRC writer) po zaimportowaniu plików TIFS HAADF jako "Sekwencji obrazów".
   2. Alternatywnie można skorzystać z funkcji tif_to_mrc w pakiecie oprogramowania tomografii¹³.
2. Skoreluj krzyżowo obrazy HAADF w wybranym oprogramowaniu, aby uzyskać zgrubne wyrównanie serii pochylenia. Zapisz dane wyrównania jako plik .sft lub jako plik xcorr.txt. W oprogramowaniu tomograficznym skonfiguruj filtr w oknie Setup Filter (Filtr konfiguracji), który zapewnia najostrzejszy pik w okienku Korelacja krzyżowa.
   1. Następnie naciśnij przycisk Kontynuuj w oknie Oblicz przesunięcia wyrównania, aby wykonać korelację krzyżową dla całej serii pochylenia. Powtarzaj wyrównanie, aż lokalne przesunięcia spadną poniżej 1 piksela, upewniając się, że wszystkie pliki przesunięć na każdym kroku są zapisywane jako tekst.
      Uwaga: Czasami konieczne jest staranne ustawienie filtra używanego podczas wykonywania korelacji krzyżowej, aby zapewnić dobre wyrównanie danych serii pochylenia.
3. W oprogramowaniu do przetwarzania obrazu załaduj uzyskane kostki danych spektralnych i wyodrębnij mapy, które są zsumowanymi wycinkami kanałów energetycznych odpowiadających interesującym elementom za pomocą funkcji skryptowych slice3d i sum, skryptów dołączonych jako kod uzupełniający 4 i 5.
4. Zastosuj wyrównania określone na podstawie obrazów HAADF do wyodrębnionych map elementarnych EDX. Zrób to w oprogramowaniu do rekonstrukcji tomografii w zakładce Zastosuj wyrównanie, wybierając opcję "Użyj przesunięć z widoku danych wyrównania".
5. W razie potrzeby wykonaj regulację osi nachylenia w oprogramowaniu do rekonstrukcji tomografii w serii obrazów HAADF i zastosuj zarówno do obrazów HAADF, jak i map EDX, zaznaczając opcję "Użyj korekt z zadania regulacji osi pochylenia" w zakładce "Zastosuj wyrównanie".
6. Rekonstrukcja zestawu danych tomograficznych dla każdego z wyodrębnionych sygnałów elementarnych EDX przy użyciu algorytmu techniki jednoczesnej rekonstrukcji iteracyjnej (SIRT) zaimplementowanego w pakiecie oprogramowania tomografii, zapewniając, że wymiary rekonstrukcji są takie same dla wszystkich elementów. W oprogramowaniu do rekonstrukcji tomografii ustaw parametry w oknie Rekonstruuj objętość (wielkość objętości, 20 iteracji itp.) i naciśnij Kontynuuj. Upewnij się, że parametry rekonstrukcji są takie same dla każdego elementu.
7. Wyodrębnij ortoplasterki oddzielnych rekonstrukcji elementarnych, wybierając Obraz > Stosy > Widoki ortogonalne w oprogramowaniu do wizualizacji obrazu¹².
8. Konstruowanie i wizualizacja dalszych renderingów ortoplastów, objętości i powierzchni z rekonstrukcji za pomocą oprogramowania do wizualizacji. Załaduj wszystkie rekonstrukcje elementów i upewnij się, że skala jest ustawiona poprawnie, ponieważ często nie jest ona przenoszona z plików .rec.
   1. Wybierz obiekt rekonstrukcyjny w puli obiektów, a następnie kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz moduł ortoplaster, aby wyodrębnić ortoplaster. Kliknij prawym przyciskiem myszy rekonstrukcję i wybierz renderowanie woluminu, aby wyodrębnić renderowanie objętości. Wyodrębnij izopowierzchnię, klikając prawym przyciskiem myszy rekonstrukcję i wybierając isosurface.
      Uwaga: Automatyczna segmentacja poprzez progowanie jest bardziej niezawodną metodą, ale w przypadku, gdy stosunek sygnału do szumu jest słaby, może być konieczna ręczna segmentacja w celu usunięcia hałaśliwych wokseli spoza objętości nanocząstek w celu wizualizacji izopowierzchni.

Wyniki

Charakterystyka zacieniania detektora dla uchwytu do tomografii 2020 w Titan G2 ChemiSTEM została przedstawiona na Rysunku 1A. Zastosowane tutaj detektory to detektory Super-X, w których cztery detektory są rozmieszczone pod równymi kątami azymutalnymi 90° wokół osi optycznej, co przekłada się na kąt bryłowy detektora przekraczający 0.6 sR¹⁴. Charakterystyka detektorów pozwoliła na wyznaczenie skompensowanych czasów akwizycji tomograficznej przedstawionych na Rysunku 1B. Po zastosowaniu tych czasów akwizycji liczba zliczeń dla każdego kąta nachylenia powinna pozostać w przybliżeniu stała dla pojedynczych nanocząstek, co pokazano na Rysunku 1C.

Bimetaliczne nanocząsteczki AgAu, zsyntetyzowane w reakcji wymiany galwanicznej, zostały zbadane przy użyciu tomografii EDX w STEM. W tej reakcji do zarodków nanocząsteczek Ag dodaje się roztwór AuCl₄^-. Au ulega redukcji na powierzchni nanocząsteczek, podczas gdy Ag ulega utlenieniu, co prowadzi do powstania bimetalicznego składu i wydrążenia początkowego zarodka. Wcześniej uważano, że Ag i Au tworzą jednorodny stop w trakcie tego procesu, a zmiany właściwości katalitycznych i optycznych wynikają po prostu z wydrążenia i różnic w składzie objętościowym. Jednak trójwymiarowe mapowanie pierwiastkowe wykonane za pomocą tomografii EDX ujawniło segregację powierzchniową w nanocząsteczkach AgAu zsyntetyzowanych w reakcji galwanicznej (Rysunek 2). Przy niskiej zawartości Au nanocząsteczki wykazują wyraźną segregację powierzchniową Au. Jednak wraz ze wzrostem zawartości Au segregacja powierzchniowa ulega zmianie, tak że dla najwyższych zawartości Au występuje wyraźna segregacja powierzchniowa Ag (Rysunek 3). Ta zmiana segregacji powierzchniowej koreluje ze zmianami wydajności propargylamin w trójskładnikowej reakcji sprzęgania katalizowanej przez nanocząsteczki AgAu o różnych składach.

Przekroje przez rekonstrukcję, prostopadłe do kierunku wiązki elektronów, umożliwiają porównanie z tradycyjnymi dwuwymiarowymi mapami pierwiastkowymi. Mapy początkowe zawierają informacje o składzie zsumowanym wzdłuż kierunku wiązki, co często utrudnia interpretację ze względu na nakładanie się obszarów o różnym składzie lub, w przypadku badanych tutaj nanocząstek AgAu, ze względu na uwzględnienie górnej i dolnej powierzchni w projekcji (Rysunek 3A-C). Wykonywanie przekrojów przez rekonstrukcję pozwala na usunięcie intensywności związanej z górną i dolną powierzchnią cząstek, co w tym przypadku skutkuje znacznie wyraźniejszym obrazem segregacji powierzchniowej (Rysunek 3D-F).

Rycina 1. Charakterystyka cieniowania detektora z wykorzystaniem pojedynczej nanocząsteczki AgAu. (A) Liczba zliczeń piki rentgenowskich Ag i Au w funkcji kąta nachylenia dla pojedynczej nanocząsteczki AgAu przy zastosowaniu stałego czasu akwizycji (5 min). (B) Czasy akwizycji wyznaczone na podstawie (A) i następnie wykorzystane do pozyskania serii nachyleń. (C) Liczba zliczeń piki rentgenowskich Ag i Au w funkcji kątów nachylenia dla pojedynczej nanocząsteczki AgAu przy zastosowaniu czasów akwizycji z (B). Liczba zliczeń pozostaje w przybliżeniu stała dla wszystkich kątów nachylenia. Na podstawie Slater et al.¹⁵. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2. Rekonstrukcja nanocząsteczki AgAu o niskiej zawartości Au. (A) Przekrój ortogonalny rekonstrukcji Au. (B) Przekrój ortogonalny rekonstrukcji Ag. (C) Profile liniowe wykonane przez przekroje ortogonalne (A) i (B), wykazujące wyraźną segregację powierzchniową Au w tej nanocząsteczce. (D) Wizualizacja powierzchni rekonstrukcji Ag i Au. Z Slater et al.¹⁵. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3. Rekonstrukcja nanocząstki AgAu o wysokiej zawartości Au. (A) 2D mapa EDX dla Au oraz (B) 2D mapa EDX dla Ag. (C) Profil liniowy wykonany na podstawie map 2D EDX (A) i (B), pokazujący trudność w określeniu segregacji powierzchniowej w tej nanocząstce wyłącznie na podstawie map 2D. (D) Przekrój ortogonalny (orthoslice) przez rekonstrukcję Au. (E) Przekrój ortogonalny (orthoslice) przez rekonstrukcję Ag. (F) Profile liniowe wykonane przez przekroje ortogonalne (D) i (E), wykazujące wyraźną segregację powierzchniową Ag w tej nanocząstce. (G) Wizualizacja powierzchniowa rekonstrukcji Ag i Au. Na podstawie Slater et al.¹⁵. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Przedstawiony tutaj protokół zapewnia metodę określania rozkładu pierwiastków dowolnej wielopierwiastkowej nanocząstki w trzech wymiarach. W przypadku prezentowanych tutaj nanocząstek AgAu segregacja powierzchniowa obu pierwiastków jest wyraźnie zidentyfikowana i wykazano, że jest skorelowana z wydajnością katalityczną w trzyskładnikowej reakcji sprzęgania. To wyraźnie pokazuje użyteczność tej techniki w wyjaśnianiu fizycznych i chemicznych właściwości układów nanocząstek.

Jak zawsze w przypadku TEM, należy zachować ostrożność podczas przygotowywania próbek, aby zapewnić jak najlepsze wyniki. Dokładne mycie i wyżarzanie siatek po osadzeniu roztworu nanocząstek jest szczególnie ważne, aby uniknąć gromadzenia się zanieczyszczenia węglowego przez dużą dawkę elektronów potrzebną do tomografii EDX. Zastosowana duża dawka może również spowodować poważne uszkodzenie dziurawych warstw węglowych, szczególnie jeśli na cienkich odcinkach często znajdują się między otworami, ale warstwy nośne z azotku krzemu mogą sprzyjać utlenianiu nanocząstek¹⁶.

Korekta efektów cieniowania detektora jest ważna dla uzyskania dokładnej rekonstrukcji, szczególnie jeśli technika ta ma być w przyszłości stosowana do ilościowego mapowania rozkładów pierwiastków. Można to osiągnąć poprzez dokładną charakterystykę detektora, zacienianie, a następnie zmianę dawki elektronów do nanocząstki. Alternatywnie, cienie można skompensować poprzez pomnożenie obrazów widma przez współczynnik korekcji po akwizycji. Jednak zastosowanie tej techniki do dostarczania informacji ilościowych w trzech wymiarach nie jest jeszcze wykonalne ze względu na uszkodzenia nanocząstek wiązką elektronów, które ograniczają liczbę promieniowania rentgenowskiego osiągalną na każdym obrazie widma.

Kalibracja jest wymagana w celu skompensowania zacienienia detektora EDX w funkcji kąta nachylenia dla określonej kombinacji mikroskopu, detektora i uchwytu. Zacienienie należy początkowo określić przy użyciu próbki, która nie daje zmian w liczbie promieniowania rentgenowskiego dla różnych kątów nachylenia próbki i oczekuje się, że poszczególne sferyczne nanocząstki spełnią to kryterium, gdy ich skład jest stabilny pod wiązką elektronów w czasie potrzebnym do uzyskania serii nachylenia. Ponadto w przypadku nanocząstek krystalicznych wszelkie kąty nachylenia, przy których wiązka elektronów jest zorientowana wzdłuż głównej osi strefy nanocząstki, powinny zostać usunięte, a nanocząstka powinna być wystarczająco mała, aby uniknąć znacznej absorpcji promieniowania rentgenowskiego. W związku z tym, gdy obrazy widma EDX pojedynczej nanocząstki są rejestrowane w pełnym zakresie możliwych kątów nachylenia próbki przy użyciu stałego czasu akwizycji, wszelkie zmiany w zmierzonej charakterystycznej intensywności promieniowania rentgenowskiego będą spowodowane samym cieniowaniem detektora. Czasy akwizycji, a tym samym dawka, są następnie zmieniane w kolejnych akwizycjach, aby skompensować zacienienie, co oznacza, że całkowita liczba sygnałów jest w przybliżeniu stała dla wszystkich obrazów widma uzyskanych w serii pochylenia.

W porównaniu z trybami obrazowania HAADF lub EELS, akwizycja danych tomograficznych EDX jest wciąż na bardzo wczesnym etapie. Pomimo wprowadzenia detektorów promieniowania rentgenowskiego o większych kątach bryłowych, głównym ograniczeniem tomografii EDX, jak to często ma miejsce w przypadku dwuwymiarowego obrazowania EDX, jest niski sygnał. Mimo to, jedną z zalet, jaką spektroskopia EDX może mieć nad EELS dla niektórych systemów nanocząstek, jest oznaczanie niewielkich ilości ciężkich pierwiastków w dość dużych nanocząstkach. Większe wieloskładnikowe nanocząstki (>100 nm) często dobrze nadają się do badań EDX, ponieważ zapewniają więcej zliczeń i występują mniej problemów z dekonwolucją nakładania się widm, ale należy zachować ostrożność, aby używać wysokoenergetycznych pików promieniowania rentgenowskiego, które ulegają niewielkiej absorpcji.

Ogólnie rzecz biorąc, tomografia EDX jest doskonałą metodą określania rozkładu pierwiastków w nanocząstkach w trzech wymiarach, choć ograniczonym do nanocząstek, które mogą wytrzymać stosunkowo wysoką dawkę elektronów bez znacznych uszkodzeń. Dalsze zwiększanie kątów bryłowych detektorów promieniowania rentgenowskiego w ramach STEM i dalsza optymalizacja uchwytów na próbki tomograficzne pozwolą tej technice na dalszy rozwój i stanie się ważną metodą w charakterystyce pojedynczych nanocząstek.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Titan G2 80-200 STEM	FEI		Z detektorem Super-X
Uchwyt tomograficzny 2020	Fischione
Folia węglowa na siatce miedzianej o siatce 200 Agar	Scientific	AGS160
EDX Oprogramowanie akwizycyjne	Bruker		Esprit
Oprogramowanie do wyrównania i rekonstrukcji tomograficznej	FEI		Inspect3D, alternatywy dostępny
pakiet oprogramowania do wyrównania i rekonstrukcji tomograficznej	University of Colorado		IMOD, dostępne alternatywy
Oprogramowanie do	wizualizacji FEI		Avizo, dostępne alternatywy
Oprogramowanie do przetwarzania obrazu	Gatan		Digital Micrograph, dostępne alternatywy
Oprogramowanie do wizualizacji obrazu	Open Source		Fidżi, Dostępne alternatywy
Poliwinylo-pirolidon	Sigma-Aldrich	856568
Glikol etylenowy	Sigma-Aldrich	V900208
Azotan srebra Wirówka	Sigma-Aldrich	209139
	Thermo Scientific	75007200
Kolba okrągłodenna	Sigma-Aldrich	Z41,452-2	1 000 ml
Wodoroodór tetrachlorouran, trójwodny	Sigma-Aldrich	520918

stołowa