Summary
Nous avons développé une cellule autonome liquide, ce qui permet l'imagerie à travers des liquides à l'aide d'un microscope électronique à transmission. Processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides peuvent être révélées en temps réel avec résolution sub-nanométrique.
Abstract
Le développement récent dans microscopie électronique en transmission in situ, ce qui permet l'imagerie à travers des liquides à haute résolution spatiale, a attiré d'importants intérêts dans les domaines de la recherche en science des matériaux, la physique, la chimie et la biologie. La technologie habilitante clé est une cellule liquide. On fabrique les cellules liquides avec hublots minces par un procédé de microfabrication séquentiel, comprenant le dépôt de nitrure de silicium membrane, un motif photolithographique, gravure tranche, la liaison cellulaire, etc Cellule liquide avec les dimensions d'une grille régulière TEM peuvent tenir dans un porte-échantillon TEM norme . Environ 100 nanolitres solution de réaction est chargé dans les réservoirs et environ 30 picolitres liquide est aspiré dans les fenêtres de visualisation par la force capillaire. Par la suite, la cellule est scellée et chargé dans un microscope pour l'imagerie in situ. À l'intérieur du TEM, le faisceau d'électrons passe à travers la couche mince de liquide pris en sandwich entre deux membranes de nitrure de silicium. Proc dynamiquecessus de nanoparticules dans des liquides, tels que la nucléation et la croissance des nanocristaux, la diffusion et l'assemblage de nanoparticules, etc, ont été imagées en temps réel avec résolution inférieure au nanomètre. Nous avons également appliqué cette méthode à d'autres domaines de recherche, par exemple, des protéines d'imagerie dans l'eau. Cellule TEM liquide est appelé à jouer un rôle majeur dans la révélation des processus dynamiques des matériaux dans leur environnement de travail. Il peut également apporter à fort impact dans l'étude des processus biologiques dans leur environnement naturel.
Introduction
L'étude des réactions chimiques dans les liquides en temps réel et des matériaux d'imagerie biologique dans leur environnement naturel ont été des participations importantes dans les domaines de la recherche 1-5. Grâce à la haute résolution spatiale de microscopie électronique à transmission (MET), l'imagerie à travers des liquides à l'aide TEM a attiré beaucoup d'attention 4,5. Toutefois, il a été un grand défi pour imager des échantillons liquides à l'aide TEM, depuis le microscope conventionnel est utilisé dans un environnement de vide poussé. En outre, les échantillons liquides doivent être suffisamment mince pour permettre au faisceau d'électrons de passer au travers. Williamson et al. 6 signalé que l'imagerie de dépôt électrochimique de Cu peut être obtenu avec une résolution de 5 nm à l'aide d'une cellule électrochimique liquide utilisé dans un TEM. De Jonge et al. 1 a pu imager des échantillons biologiques à travers l'eau serveral micromètres d'épaisseur à l'aide d'un balayage (S) MET. Le faible contraste des échantillons biologiques n'était passoulevé la question depuis des nanoparticules d'or ont été utilisés comme marqueurs pour l'imagerie. L'échantillon liquide épais n'était pas un problème non plus puisque STEM mode d'imagerie a été utilisée et une résolution nanométrique a été atteint. Nous avons récemment développé une cellule autonome liquide, ce qui permet l'imagerie TEM temps réel de nanoparticules colloïdales dans les liquides avec 5,7 résolution inférieure au nanomètre. Ces cellules nouvellement développés liquides, qui offrent une résolution améliorée et plus rapide imagerie TEM (30 images par seconde qui n'a pas été obtenus par imagerie à haute résolution STEM haute), a permis d'étudier la dynamique des nanoparticules colloïdales dans les liquides. Les cellules liquides s'adapter à un support de type TEM et peut être utilisé comme échantillons TEM réguliers. Une petite quantité de liquide (environ 30 picolitres) peut être examinée in situ dans une réaction chimique prolongée. Divers imagerie et d'analyse (c.-à dispersion d'énergie spectroscopie de rayons X) techniques peuvent être appliquées. Puisque l'épaisseur totale de la fenêtre d'observation (y compris les membraneset la couche de liquide) peut être contrôlé à 100 nm ou moins, l'imagerie directe d'échantillons biologiques (protéines par exemple) dans de l'eau liquide sans marqueurs de nanoparticules d'or a été atteint 8.
Au cours des deux dernières décennies, il ya eu des réalisations importantes sur les synthèses et les applications des nanocristaux colloïdaux 9-11. Cependant, la compréhension de la façon dont la nucléation des nanoparticules, croissent et interagissent les uns avec les autres dans les liquides est largement empirique et repose principalement sur des analyses ex situ 11-13. Notre développement d'une cellule TEM liquide fournit une plate-forme unique d'étudier les processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides en 5,7,14,15 situ.
On fabrique une cellule de liquide autonome à l'aide de plaquettes de silicium ultra mince (100 pm) par un procédé de microfabrication séquentiel. Il comprend le dépôt de la membrane de nitrure de silicium, formation de motifs photolithographiques, la gravure de tranche, dépôt d'espacement, et la cellulecollage, etc Environ 50 nanolitres de la solution de réaction est chargé dans un réservoir, qui est aspiré dans la cellule par la force capillaire. On remplit le réservoir avec un autre autre 50 nanolitres du liquide. Par la suite, la cellule est scellée et chargé dans le microscope pour l'imagerie in situ. À l'intérieur du microscope, le liquide prise en sandwich entre deux membranes de nitrure de silicium (au total environ 30 picolitres) peuvent être examinés. Lorsque le faisceau d'électrons passe à travers la couche liquide mince, les processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides peuvent être suivies en temps réel. La nucléation et la croissance de nanoparticules peut être induite par le faisceau d'électrons dans certains cas, 5,7 ou réactions peut être déclenché par une source de chauffage externe 14,16. Lorsque le dommage faisceau d'électrons est un sujet de préoccupation, faible courant de faisceau d'électrons (dose) doit être utilisé.
Comme les cellules liquides sont fabriqués à partir de silicium et de procédés de microfabrication en grandes séries, les variations de la membrane ou du liquideépaisseur des cellules individuelles liquides peuvent être l6 smal. Tout chercheur qui a une formation de microfabrication de base peut réussir à faire cellules liquides. La technique de manipulation de liquides et in situ TEM opération peut également être maîtrisé après la pratique. Il convient de noter qu'outre l'aide de membranes de nitrure de silicium en tant que fenêtres de visualisation, d'autres matériaux tels que le dioxyde de silicium, de silicium ou de carbone (y compris graphène) peut être utilisé comme membrane de la fenêtre et 17-19. Depuis nos cellules liquides à l'aide de petites fenêtres de visualisation, soit 1 x 50 um, aucun renflement des membranes a été observée. Et, la cellule liquide est également robuste pour fonctionner, c'est à dire en dessous de 1% des cellules liquides ont brisé les fenêtres pendant les expériences. En outre, l'épaisseur de la couche de liquide peut également être réglé de manière flexible par changement de l'épaisseur de l'entretoise d'indium déposée. Lors de la préparation de l'échantillon, une cellule liquide scellé peut maintenir les liquides pendant plusieurs jours sans fuite. La petite quantité de liquide peutexaminer pendant plusieurs heures sous le faisceau d'électrons, ce qui permet l'étude d'une réaction chimique étendue en temps réel.
Jusqu'à présent, nous avons visualisé nombreux designs de processus dynamiques de nanoparticules dans les liquides, par exemple, la croissance et la coalescence des nanoparticules Pt 5,15, la diffusion de nanoparticules dans les liquides minces, la fluctuation 20,21 croissance de nanoparticules Bi 14, et la croissance du Pt 3 nanotiges Fe à partir de blocs de construction de nanoparticules 7, etc En outre, nous avons également appliqué cette méthode à d'autres domaines, par exemple, les protéines d'imagerie dans l'eau liquide avec 2,7 nm de résolution 8. En résumé, notre technique de liquide cellule TEM a été prouvée pour être un développement très précieux pour l'étude d'un large éventail de questions fondamentales en science des matériaux, la physique, la chimie et la biologie. Nous croyons qu'il ya encore de la place pour de futures grandes avancées techniques et applications de la TEM liquide et ce sera certainement une grande impact sur un large spectre de la recherche scientifique.
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Protocol
1. Microfabrication de cellules liquides
- Préparer des plaquettes de silicium (dopé p, 100 um d'épaisseur et 4 cm de diamètre) et nettoyer les pastilles à l'aide d'un bain de type plaquette procédure de nettoyage.
- Dépôt à basse tension des films minces de nitrure de silicium (20 nm d'épaisseur) sur les deux côtés des plaquettes de silicium à basse pression par dépôt chimique en phase vapeur (LPCVD) Procédé. Un schéma inclus développé est utilisé pour le dépôt, ce qui permet la croissance de nitrure de silicium riche en (SiN x, x <4/3).
- Fabriquer la puce inférieure (2,6 x 2,6 mm; 3 mm de diamètre) avec une fenêtre de visualisation (1 × 50 um) et la puce supérieure (2,6 x 2,6 mm; 3 mm de diamètre) avec une fenêtre de visualisation (1 × 50 pm) et deux réservoirs (0,6 × 1,2 × 0,1 mm), en suivant une séquence de procédés de fabrication standard, y compris un motif photolithographique, la gravure par plasma de la membrane SiN x (SF 6 en utilisant comme gaz actif), KOH humide etching de la tranche de silicium exposée, etc Nous utilisons le procédé le plus courant de photolithographie, par exemple revêtement par centrifugation d'une résine photosensible (photoresist positif avec la vitesse de rotation de 3.000 tours par minute pendant 1 min; l'épaisseur de la résine photosensible est d'environ 1 um), exposition aux UV sous le masque de Cr de cellules liquides, de structuration lithographique utilisant révélateur et le fixateur (eau déminéralisée), etc Il ya des choix différents de la résine photosensible pour dépôt à la tournette et le développeur pour la modélisation. Et, les paramètres correspondants pour les processus peuvent également varier. Comme les caractéristiques du modèle sont relativement importantes (plusieurs centaines de micromètres ou plus), le processus est facile à faire. La solution de KOH est préparée par dissolution de la puissance d'hydroxyde de potassium dans de l'eau déminéralisée avec de l'hydroxyde de potassium: eau de rapport pondéral de 1:2. La solution de KOH est maintenue à 80 ° C pendant le décapage. Une vitesse de gravure de 1 um par minute peut être atteinte. SiN x membrane est un masque de protection idéale pour la gravure KOH du silicium. Depuis etchinlignes g sont utilisés, jetons individuels sont reliés par des lignes minces de tranche gravée après gravure KOH. Pièces de puces peuvent être facilement séparées de la plaquette avec des ciseaux pointus pour un traitement ultérieur. Aucun processus de découpage est nécessaire.
- Dépôt d'indium entretoise sur le côté plat de la puce inférieure. D'abord, faites motif lithographique des puces en suivant le même processus au point 1.3. Pour aider la manutention des copeaux, coller des puces individuelles (peut être un morceau de plusieurs puces) sur une feuille de verre mince à l'aide de résine photosensible et laissez sécher à l'air pendant 5 minutes avant de spin-coating, l'exposition aux UV, etc Ensuite, nettoyer les copeaux de motifs par O 2 plasma de nettoyage à 50 Watts pendant 1 min, troisième, dépôt d'indium à film mince avec une épaisseur de 100 nm sur la puce en utilisant un évaporateur, troisième, lift-off est effectuée pour générer l'entretoise d'indium.
- Bond le fond et les puces haut ensemble. Nous avons d'abord aligner les deux fenêtres de nitrure de silicium visualisation du fond et des copeaux premiers termes d'une optique microscope et appliquer une pression d'environ 0,1 MPa à l'aide d'une pince. Il faut de la pratique pour aligner avec précision les fenêtres les unes sur les autres. Par la suite, les cellules liquides sont cuits dans un four sous vide à 120 ° C pendant 1 heure. Enfin, nous recueillons les cellules et stocker les cellules préparées comme dans un dessiccateur à vide pour un usage futur.
Le processus de fabrication entier est représenté sur la figure 1. Nous effectuons tous les procédés de fabrication au laboratoire de nanofabrication de l'Université de Californie, Berkeley.
2. Préparation des solutions de réaction
Nous préparons les solutions de réaction pour les nanotubes de croissance Fe 3 Pt à titre d'exemple. Platine (II) acétylacétonate (20 mg / ml) et de fer (II) acétylacétonate (20 mg / ml) ont été dissous dans un mélange solvant de pentadécane et l'oléylamine (7:3 vol / vol), ou un mélange de pentadécane, l'oléylamine, et l'acide oléique (6:3:1 v / v / v) est utilisé pour la comparaison des surfactaneffets t.
3. Chargez Solutions de réaction
- Environ 50 nl de solution de réaction est chargé dans un des réservoirs de liquide dans une cellule à l'aide d'une seringue et des nanotubes de Téflon (acheté chez Cole-Parmer, IL). Ensuite, l'autre réservoir est rempli de la même manière.
- Environ 30 pl de la solution de réaction est aspiré dans la cellule par la force capillaire et forme une couche liquide (~ 100 nm) prise en sandwich entre deux membranes de nitrure de silicium dans la fenêtre de visualisation.
- La cellule liquide est ensuite scellé à l'aide d'un couvercle de cuivre mince (~ 50 um grille TEM avec fente 0,6 mm de diamètre trou unique, qui a été acheté à partir de Tedd Pella, Inc.) Graisse à vide a été appliqué sur une face de la couverture et de l'époxy a été utilisé pour sceller le bord de la cellule liquide. L'épaisseur totale de la cellule finale liquide est environ 250-300 pm.
4. Cellules de charge liquide dans TEM
- Une TEM JEOL 3010 fonctionnant à 300 kV et d'un monochromateur FEI F20 UT Tecnai exploité à 200 kV sont utilisés pour l'imagerie in situ.
- La cellule liquide est chargé dans le microscope TEM comme échantillon standard pour l'imagerie.
5. Real Time Imaging TEM
- Régler le microscope à un état parfait d'imagerie haute résolution TEM, et une densité de courant de faisceau de 1-8 x 10 5 A / m 2 est mis à jour au cours de l'imagerie en temps réel.
- Système de PTFE, la nucléation et la croissance des nanoparticules peut être amorcée par la coulée du faisceau d'électrons sur la couche de liquide.
- Logiciel VirtualDub combiné avec Gatan DigitalMicrograph logiciel est utilisé pour enregistrer la dynamique des nanoparticules.
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Representative Results
En utilisant la méthode liquide cellule TEM, nous avons visualisé la croissance en solution de nanotubes Pt Fe 3 blocs de construction de nanoparticules. Figure 2 montre des images séquentielles illustrant la trajectoire de croissance d'un nanotige Pt 3 Fe dans des conditions différentes solutions. Processus fausses couleurs avec Photoshop a été utilisé pour mettre en évidence les nanoparticules.
Lorsque le mélange de solvants pentadécane et oléylamine (7:3 v / v) a été utilisé, trois phases distinctes de croissance peuvent être identifiés (figure 2A). Tout d'abord, de nombreuses petites nanoparticules sont formées lorsque les précurseurs de Pt et Fe sont réduites par irradiation par faisceau d'électrons. Certains d'entre eux se développer par l'attachement monomère, d'autres subissent une coalescence. Deuxièmement, les chaînes de nanoparticules courts sont formés par des interactions nanopaticle. Troisièmement, les as-formés de courtes chaînes de nanoparticules agissent comme des blocs de construction pour former relativement longue enroulement des chaînes de nanoparticules. Quand un mélange de pentadécane, oleylamine, et l'acide oléique (6:3:1 v / v / v) a été utilisé, les chaînes de nanoparticules d'enroulement sont formées en premier, puis les chaînes de nanoparticules redresser et former monocristallins nanotiges dans un court laps de temps (figure 2B).
En résumé, nous avons montré la formation de nanotubes monocristallins par la croissance de la liquidation des chaînes de nanoparticules de forme polycristallins dirigée attachement nanoparticules suivie par les corrections redressement, l'orientation et la forme des blocs de construction. Statistiques et la quantification de la dynamique des nanoparticules de l'imagerie en temps réel sont d'une grande importance pour la compréhension et la maîtrise de la croissance des nanomatériaux hiérarchique et l'auto-assemblage de dispositifs fonctionnels 7.
Figure 1.
Figure 2. La croissance des nanotiges Pt 3 Fe dans une cellule de liquide au cours de l'exposition au faisceau d'électrons. (A) des images séquentielles TEM montrant l'évolution de la nucléation et de la croissance initiale de la solution de précurseur moléculaire à une étape ultérieure de formation des nanofils par la forme dirigée fixation des nanoparticules. Un mélange de solvants pentadécane et oléylamine (7:3 v / v) a été utilisé. (B) La formation de nanotubes torsadée Pt 3 Fe et le processus de redressement ultérieur. (A) Les images TEM séquentielles de la croissance d'une courte Pt 3 Fe nanotige. (B) Les images TEM séquentiel montrant la croissance d'une longue Pt 3 Fe nanotige. Un mélange de solvant pentadécane, l'oléylamine, l'acide oléique et (6:3:1 v / v / v) a été utilisé. À la fois dans (A) et (B), le temps est affiché comme min: sec, et le temps initial est arbitraire 7.
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Discussion
Tous les processus de fabrication ont été fait dans la salle blanche, où les dispositifs semi-conducteurs sont faites.
Avant le dépôt d'indium, O 2 de nettoyage au plasma des copeaux est nécessaire pour éliminer le résidu organique sur la surface. Ainsi, un espaceur de haute qualité d'indium peut être atteint, ce qui peut améliorer le collage de puces haut et en bas et le rendement des cellules de fuite de liquide libre.
Le nitrure de silicium fenêtres de visualisation d'une membrane ultra-mince d'environ 13 nm d'épaisseur est la clé pour obtenir une haute résolution spatiale. Lors de la manipulation des cellules liquides, une attention particulière est nécessaire pour éviter la rupture de la membrane lors de la fabrication ainsi que des expériences. Par exemple, pince à épiler avec un front plat sont recommandés. Et, au cours de la membrane processus de nettoyage, de faible puissance et la dose de plasma d'O 2 peut être constituée (soit 30 pour Walt 20-30 sec). La cinétique de croissance peut être fortement dépendante de la curren faisceau d'électronsdensité t, le maintien de la densité de courant du faisceau d'électrons même tandis que l'imagerie est important. La méthode de la cellule TEM liquide permet non seulement l'étude de la dynamique de croissance des nanocristaux en solution en temps réel, mais aussi permet de révéler d'autres processus dynamiques (c.-à-diffusion des nanoparticules dans les liquides, la dynamique des gouttelettes de liquide, etc.) En outre, il offre une voie prometteuse pour visualiser les processus biologiques dans l'environnement natif.
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Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Zheng remercie le professeur A. Paul Alivisatos et le Dr Ulrich Dahmen pour des discussions utiles pendant le développement précoce de l'EM cellules liquides. Elle est reconnaissante envers le soutien du DOE Office of Science Career Programme de recherche rapide.
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
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