Summary
We hebben een self-contained vloeibare cel die imaging doorlaat vloeistoffen met een transmissie-elektronenmicroscoop. Dynamische processen van nanodeeltjes in vloeistoffen kan worden onthuld in real-time met sub-nanometer resolutie.
Abstract
De recente ontwikkeling in situ transmissie elektronenmicroscopie, die beeldvorming maakt het mogelijk door middel van vloeistoffen met een hoge ruimtelijke resolutie, heeft aangetrokken aanzienlijke belangen in de onderzoeksdomeinen van de materiaalkunde, natuurkunde, scheikunde en biologie. De cruciale ontsluitende technologie is een vloeibare cel. Wij fabriceren vloeistof cellen met dunne kijkvensters door een sequentiële microfabricageproces, zoals siliciumnitride membraan depositie, fotolithografische patroonvorming, etsen wafer, cel bonding, etc. Een vloeibare cel met de afmetingen van een normale TEM rooster past in elke standaard TEM monsterhouder . Ongeveer 100 nanoliter reactieoplossing wordt geladen in de reservoirs en ongeveer 30 picoliter vloeistof getrokken in de kijkvensters door capillaire werking. Vervolgens wordt de cel afgedicht en geladen in een microscoop voor in situ imaging. In de TEM de elektronenbundel doorloopt de dunne vloeistoflaag tussen twee siliciumnitride membranen. Dynamische proccessen van nanodeeltjes in vloeistoffen, zoals nucleatie en groei van nanokristallen, diffusie en assemblage van nanodeeltjes, enz., zijn afgebeeld in real-time met sub-nanometer resolutie. We hebben ook deze methode toegepast op andere onderzoeksgebieden, bijvoorbeeld beeldvorming eiwitten in het water. Liquid cel TEM is klaar om een belangrijke rol te spelen in het onthullen van dynamische processen van materialen in hun werkomgeving. Het kan ook brengen hoge impact in de studie van biologische processen in hun eigen omgeving.
Introduction
De studie van chemische reacties in vloeistoffen in real-time en imaging biologische materialen in hun eigen omgeving zijn geweest van belangrijke deelnemingen over de onderzoeksgebieden 1-5. Door de hoge ruimtelijke resolutie van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), beeldvorming door vloeistoffen met TEM trekt veel aandacht 4,5. Er is echter een grote uitdaging voor beeld vloeistofmonsters met TEM, aangezien de conventionele microscoop wordt gebruikt in een hoog vacuüm omgeving. Bovendien vloeistofmonsters moet dun genoeg om de elektronenbundel door te gaan. Williamson et al.. 6 gemeld dat beeldvorming van elektrochemische depositie van Cu kan worden bereikt met 5 nm resolutie met behulp van een elektrochemische cel vloeistof gebruikt in een TEM. De Jonge et al.. Kon een beeld biologische monsters door serveral micrometer dik water met een scanning (S) TEM. Het lage contrast van de biologische monsters nietgesteld als een probleem, omdat goud nanodeeltjes werden gebruikt als merkers voor imaging. De dikke vloeibare monster was geen probleem, omdat STEM beeldvorming modus werd gebruikt en nanometer resolutie werd bereikt. Wij hebben recent een zelfstandige vloeibare cel met real time TEM beeldvorming van colloïdale nanodeeltjes kunnen in vloeistoffen met subnanometer resolutie 5,7. Deze nieuw ontwikkelde vloeistof cellen die verbeterde resolutie en snellere TEM imaging (30 frames per seconde dat niet is bereikt door hoge resolutie beeldvorming STEM), maakte het mogelijk om colloïdale nanodeeltjes dynamiek bestuderen vloeistoffen bieden. De vloeistof cellen past in een standaard TEM houder en kan worden gebruikt als gewone TEM monsters. Een kleine hoeveelheid vloeistof (ongeveer 30 picoliter) kan worden onderzocht in situ onder een verlengde chemische reactie. Verschillende beeldvormende en analytische (dat wil zeggen, energie dispersieve röntgenspectroscopie) technieken worden toegepast. Aangezien de totale dikte van het kijkvenster (waaronder membranenen de vloeistoflaag) kan worden geregeld tot 100 nm of minder heeft directe beeldvorming van biologische monsters (bijvoorbeeld eiwitten) in vloeibaar water zonder gouden nanodeeltjes markers ook bereikt 8.
In de afgelopen twee decennia zijn er belangrijke resultaten op de syntheses en toepassingen van colloïdale nanokristallen 9-11. Echter, het begrip van hoe nanodeeltjes kiemen, groeien en met elkaar interageren in vloeistoffen is grotendeels empirisch en meestal gebaseerd op ex situ analyses 11-13. Onze ontwikkeling van vloeibare cel TEM biedt een uniek platform om de dynamische processen van nanodeeltjes in vloeistoffen studeren in situ 5,7,14,15.
Wij fabriceren een zelfstandige vloeibare cel met ultra dunne silicium wafers (100 pm) door een opeenvolgend microfabricageproces. Het omvat depositie van siliciumnitride membraan, fotolithografische patroonvorming, wafer etsen, depositie spacer en celbonding, enz. ongeveer 50 nanoliter van de reactieoplossing aangebracht in een reservoir, dat in de cel door capillaire werking. We vullen de andere reservoir met nog eens 50 nanoliter van de vloeistof. Vervolgens wordt de cel afgedicht en geladen in de microscoop in situ imaging. In de microscoop, de vloeistof tussen twee siliciumnitride membranen (totaal ongeveer 30 picoliter) kan worden onderzocht. Wanneer de elektronenbundel passeert de dunne vloeistoflaag kunnen dynamische van nanodeeltjes in vloeistoffen worden in real-time. Nucleatie en groei van nanodeeltjes kan worden geïnduceerd door de elektronenbundel in sommige gevallen 5,7 of reacties kunnen worden geactiveerd door een externe warmtebron 14,16. Wanneer de elektronenbundel schade een zorg is, moet laag elektronenbundelstroom (dosis) worden gebruikt.
Omdat vloeibare cellen worden vervaardigd uit silicium microfabricage processen en in grote partijen, variaties in membraan of vloeibaredikte tussen individuele vloeistof cellen smal l6 zijn. Elke onderzoeker die heeft fundamentele microfabricage opleiding met succes kan maken vloeistof cellen. De liquid handling techniek en in situ TEM handeling kan ook worden beheerst na de training. Opgemerkt wordt dat naast het gebruik van siliciumnitride membranen als kijkvensters andere materialen zoals silicium dioxide, silicium of koolstof (inclusief grafeen) kan worden gebruikt als het membraan venster en 17-19. Aangezien de vloeibare cellen met kleine kijkvensters, dwz 1 x 50 urn, geen bolling van de membranen waargenomen. En de vloeibare cel ook robuust te bedienen, onder namelijk 1% vloeibare cellen ramen gebroken tijdens de experimenten. Bovendien kan de dikte van de vloeistoflaag ook flexibel worden afgestemd door de dikte van de afgezette indium spacer. Tijdens de voorbehandeling, kan een gesloten vloeistof-cel vloeistoffen voor meerdere dagen met geen lekkage. De kleine hoeveelheid vloeistofworden onderzocht gedurende enkele uren onder de elektronenbundel, die de studie van een uitgebreide chemische reactie in real time mogelijk maakt.
Tot dusver hebben we gevisualiseerd vele unieke dynamische processen van nanodeeltjes in vloeistoffen, bijvoorbeeld, groei en coalescentie van Pt nanodeeltjes 5,15, verspreiding van nanodeeltjes in dunne vloeistoffen 20,21, groei fluctuatie van Bi nanodeeltjes 14 en groei van Pt 3 fe nanorods van nanodeeltjes bouwstenen 7, etc. Daarnaast hebben we ook deze methode toegepast op andere gebieden, bijvoorbeeld imaging eiwitten in vloeibaar water met 2,7 nm resolutie 8. Samengevat is onze vloeibare cel TEM techniek bewezen een zeer waardevolle ontwikkeling voor de studie van een breed scala aan fundamentele kwesties in de materiaalkunde, natuurkunde, scheikunde en biologie. Wij geloven dat er nog steeds grote ruimte voor toekomstige technische ontwikkelingen en toepassingen van de vloeistof TEM en het zal zeker een hoge impact op een breed spectrum van wetenschappelijk onderzoek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Microfabricage van Liquid cellen
- Bereid silicium wafers (p-gedoteerd, 100 pm dikte en 4 cm in diameter) en reinig de wafers met een standaard wafer bad reinigingsprocedure.
- Deposit lage spanning siliciumnitride dunne films (20 nm dik) aan beide zijden van het silicium wafers door lage druk chemische dampafzetting (LPCVD) methode. Een speciaal ontwikkelde recept wordt gebruikt voor de depositie, die de groei van silicium-rijke nitride (SiN x, x <4/3) toestaat.
- Fabriceren onder chip (2,6 x 2,6 mm, 3 mm in diameter) met een kijkvenster (1 x 50 urn) en de bovenste chip (2,6 x 2,6 mm, 3 mm in diameter) met een kijkvenster (1 x 50 urn) en twee reservoirs (0,6 x 1,2 x 0,1 mm) door het volgen van een reeks standaard fabricageprocessen, waaronder fotolithografische patroonvorming, plasma etsen van de SiN x membraan (SF met 6 als actief gas), KOH natte etching van het belichte silicium wafer, enz. We de meest gangbare fotolithografische proces, zoals spinbekleding van een fotolak (positieve fotolak met toerental van 3000 rpm gedurende 1 minuut, de dikte van de fotoresist is ongeveer 1 pm), UV blootstelling onder de Cr masker van vloeibare cellen, lithografische patroonvorming met behulp van ontwikkelaar en fixeer (gedeïoniseerd water), enz. Er zijn verschillende keuzes van de fotolak voor spin coating en de ontwikkelaar voor patronen. En kan de corresponderende parameters voor de processen ook variëren. Aangezien kenmerken van het patroon relatief groot (honderden micrometer of groter) is de werkwijze eenvoudig worden uitgevoerd. De KOH-oplossing wordt bereid door kaliumhydroxide vermogen in gedeïoniseerd water met kaliumhydroxideoplossing water gewichtsverhouding van 1:2. De KOH-oplossing wordt op 80 ° C tijdens het etsen. Een etssnelheid van 1 pm per min worden bereikt. SiN x membraan een ideale beschermend masker voor KOH etsen van silicium. Sinds etching lijnen gebruikt worden individuele chips verbonden met dunne lijnen geëtste wafer na KOH etsen. Stukken van chips kan gemakkelijk worden gescheiden van de wafer met een scherpe pincet voor latere processen. Geen snijproces nodig.
- Borg indium spacer op de vlakke zijde van de bodem chip. Ten eerste, doe lithografische patroonvorming van de chips door de soortgelijke procedure in 1.3. Bij het verwerken van de chips bij te staan, individuele chips (kan een stuk van een aantal chips zijn) plakken op een dunne glasplaat met behulp van fotolak en laat het drogen aan de lucht gedurende 5 minuten voor spin-coating, UV-straling, enz. Ten tweede, het reinigen van de patroon chips door O 2 plasma reiniging bij 50 Watt gedurende 1 minuut; derde borg indium dunne film met een dikte van 100 nm op de chip met behulp van een verdamper, derde lift-off proces wordt uitgevoerd om de indium spacer genereren.
- Bond de onderste en bovenste chips bij elkaar. We eerst passen twee silicium nitride kijkvensters van de onderste en bovenste chips onder een optische microscope en toepassen van een druk van ongeveer 0,1 MPa met behulp van een klem. Het vereist oefening om precies uitlijnen van de vensters elkaar. Vervolgens worden cellen vloeistoffen gebakken in een vacuumoven bij 120 ° C gedurende 1 uur. Tenslotte verzamelen we de cellen en opslaan als bereide cellen in een vacuümexsiccator voor toekomstig gebruik.
Het hele fabricageproces wordt getoond in Figuur 1. We voeren alle fabricage processen op de Nanofabrication Lab van de Universiteit van Californië, Berkeley.
2. Bereiding van reactieoplossingen
We bereiden reactieoplossingen voor de groei Pt 3 Fe nanorods als voorbeeld. Platina (II) acetylacetonaat (20 mg / ml) en ijzer (II) acetylacetonaat (20 mg / ml) opgelost in een oplosmiddelmengsel van pentadecaan en oleylamine (7:3 vol / vol) of een mengsel van pentadecaan, oleylamine en oliezuur (06:03:01 vol / vol / vol) wordt gebruikt voor de vergelijking van surfactant effecten.
3. Laad Reactie Solutions
- Ongeveer 50 nl van reactieoplossing wordt geladen in een van de reservoirs in een vloeistof cel met een spuit en Teflon nanotubes (gekocht bij Cole-Parmer, IL). Vervolgens wordt het andere reservoir gevuld op dezelfde wijze.
- Ongeveer 30 pl van de reactieoplossing wordt getrokken in de cel door capillaire werking en vormt een vloeistoflaag (~ 100 nm) tussen twee siliciumnitride membranen in het weergavevenster.
- De vloeibare cel wordt vervolgens afgedicht met een dunne koperen deksel (~ 50 urn TEM rooster met enkel slot 0,6 mm diameter gat, dat werd verkregen van Tedd Pella, Inc.) Vacuüm vet werd aangebracht op een zijde van het deksel en epoxy werd gebruikt om de rand van het vloeibare cel dichten. De totale dikte van de uiteindelijke vloeistof cel ongeveer 250-300 urn.
4. Laad Liquid Cellen in de TEM-
- Een JEOL 3010 TEM gebruikt bij 300 kV en een FEI monochromated F20 UT Tecnai bedreven bij 200 kV worden gebruikt voor in situ imaging.
- De vloeibare cel wordt geladen in de microscoop als standaard TEM monster voor imaging.
5. Real Time TEM Imaging
- Stem de microscoop om een perfect hoge resolutie TEM imaging toestand en een bundelstroom dichtheid van 1-8 x 10 5 A / m 2 wordt gehandhaafd tijdens de real-time imaging.
- Voor PTFE systeem kunnen nucleatie en groei van de nanodeeltjes worden door het gieten van de elektronenbundel op de vloeistoflaag.
- VirtualDub software gecombineerd met Gatan DigitalMicrograph software wordt gebruikt om de dynamiek nanodeeltjes opnemen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Met vloeibare cel TEM methode zijn gevisualiseerd oplossing groei van Pt 3 Fe nanorods van nanodeeltjes bouwstenen. Figuur 2 opeenvolgende beelden die het groeitraject van een Pt 3 Fe nanorod in verschillende oplossingsomstandigheden. False kleuren proces met behulp van Photoshop werd gebruikt om de nanodeeltjes te markeren.
Wanneer het oplosmiddelmengsel van pentadecaan en oleylamine (7:3 vol / vol) gebruikt kunnen drie verschillende groeistadia worden geïdentificeerd (Figuur 2A). Eerst worden vele kleine nanodeeltjes gevormd wanneer de Pt en Fe precursors worden gereduceerd door bestraling met een elektronenbundel. Sommigen van hen groeien door monomeer gehechtheid, anderen ondergaan coalescentie. Ten tweede zijn korte nanodeeltjes ketens gevormd via nanopaticle interacties. Ten derde, de as-gevormde korte nanodeeltjes ketens fungeren als bouwstenen te vormen relatief lange kronkelende nanodeeltjes ketens. Wanneer een mengsel van pentadecaan, oleylamine en oliezuur (06:03:01 vol / vol / vol) gebruikt worden wikkeling nanodeeltjes ketens eerst gevormd en vervolgens de nanodeeltjes ketens recht en vormen single-kristallijne nanorods binnen een korte tijd (Figuur 2B).
Samengevat, hebben we laten zien de vorming van eenkristal nanorods via de groei van de kronkelende polykristallijne nanodeeltjes ketens van vorm-gerichte nanodeeltjes bevestiging, gevolgd door het rechttrekken, oriëntatie en vorm van correcties van de bouwstenen. Statistieken en kwantificering van nanodeeltjes dynamiek van de real-time beeldvorming van groot belang zijn voor het begrip en de controle van hiërarchische nanomaterialen groei en zelf-assemblage voor functionele apparaten 7.
Figuur 1.
Figuur 2. De groei van Pt 3 Fe nanorods in een vloeibare cel tijdens de blootstelling aan elektronenbundel. (A) Sequential TEM beelden die de evolutie van de initiële nucleatie en groei in de moleculaire precursor oplossing een later nanodraad vorming door vorm-gerichte nanodeeltjes attachment. Een oplosmiddelmengsel van pentadecaan en oleylamine (7:3 vol / vol) gebruikt. (B) Vorming van gedraaide Pt 3 Fe nanorods en de daaropvolgende rechttrekken proces. (A) Sequential TEM beelden van de groei van een korte Pt 3 Fe nanorod. (B) Opeenvolgende TEM beelden die de groei van een lange Pt 3 Fe nanorod. Een oplosmiddelmengsel van pentadecaan, oleylamine en oliezuur (06:03:01 vol / vol / vol) gebruikt. In zowel (A) en (B), tijd als min: sec, en de eerste is willekeurig 7.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Alle fabricageprocessen zijn gedaan in de clean room, waar halfgeleiderinrichtingen gemaakt.
Voor de afzetting van indium, O 2 plasma reiniging van de chips nodig is om het organische residu op het oppervlak te elimineren. Aldus kan een hoge kwaliteit worden bereikt indium spacer, die de hechting en bovenste chips en de opbrengst aan vloeistof lekvrij cellen verbeteren.
De siliciumnitride kijkvensters met ultradunne membraan van ongeveer 13 nm dik is een sleutel tot een hoge ruimtelijke resolutie. Bij het hanteren van dergelijke vloeibare cellen, is speciale aandacht nodig anders breken het membraan tijdens fabricage en experimenten. Zo worden pincet met een vlakke voorzijde aanbevolen. En, kan tijdens het membraan schoonmaken, laag vermogen en de dosis van O 2 plasma worden opgenomen (dat wil zeggen, 30 Walt voor 20-30 sec). Aangezien groeikinetiek kan sterk afhankelijk van de elektronenbundel valutat dichtheid behoud van dezelfde stroomdichtheid elektronenbundel terwijl imaging belangrijk. De vloeistof cel TEM-methode niet alleen in staat stelt de studie van de groei dynamiek van nanokristallen in oplossing in real-time, maar maakt het ook mogelijk het openbaren andere dynamische processen (dat wil zeggen, de verspreiding van nanodeeltjes in vloeistoffen, vloeibare druppel dynamiek, enz.). Bovendien is een veelbelovende weg naar biologische processen visualiseren in de natuurlijke omgeving.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Zheng dankt prof. dr. A. Paul Alivisatos en Dr Ulrich Dahmen voor nuttige discussies tijdens de vroege ontwikkeling van EM vloeistof cellen. Ze is dankbaar voor de steun van DOE Office of Science Early Career Research Program.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagents | |||
| Platinum(II) acetylacetonate | Aldrich | 523038 | |
| Iron(II) acetylacetonate | Aldrich | 413402 | |
| pentadecane | Aldrich | P3406 | |
| oleylamine | Aldrich | O7805 | |
| oleic acid | Sigma | O4137 | |
| Equipment | |||
| TEM | JEOL | JEOL 3010 | |
| Monochromated TEM | FEI | F20 UT Tecnai | |
References
- de Jonge, N., Ross, F. M. Electron microscopy of specimens in liquid. Nature Nanotechnology. 6, 695-704 (2011).
- Sun, Y. G. Watching nanoparticle kinetics in liquid. Mater. Today. 15, 140-147 (2012).
- Tao, F., Salmeron, M. In Situ Studies of Chemistry and Structure of Materials in Reactive Environments. Science. 331, 171-174 (2011).
- 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).
- Zheng, H., et al. Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science. 324, 1309-1312 (2009).
- 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).
- Liao, H. -G., Cui, L., Whitelam, S. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336, 1011-1014 (2012).
- 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).
- Yin, Y. D., et al. Formation of hollow nanocrystals through the nanoscale Kirkendall Effect. Science. 304, 711-714 (2004).
- 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).
- Peng, X. G., et al. Shape control of CdSe nanocrystals. Nature. 404, 59-61 (2000).
- Skrabalak, S. E., et al. Gold Nanocages: Synthesis, Properties, and Applications. Accounts of Chemical Research. 41, 1587-1595 (2008).
- 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).
- Xin, H. L., Zheng, H. In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters. 12, 1470-1474 (2012).
- Murray, C. B. Watching Nanocrystals Grow. Science. 324, 1276-1277 (2009).
- 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).
- 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).
- Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria. Nano Letters. 11, 1270-1275 (2011).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
- 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).
- Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Acs Nano. 6, 2078-2085 (2012).
