Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

خلايا السائل مجهر إلكتروني لتعقب التجميع الذاتي من جسيمات نانوية

Published: October 16, 2017 doi: 10.3791/56335
Automatic Translation
1,2, 1,2, 3, 1,2
1Center for Nanoparticle Research, Institute for Basic Science (IBS), 2School of Chemical and Biological Engineering, Institute of Chemical Processes, Seoul National University, 3Department of Mechanical Engineering, Hanyang University

Summary

نقدم لك هنا البروتوكولات التجريبية لمراقبة الوقت الحقيقي عملية التجميع الذاتي باستخدام خلايا السائل مجهر إلكتروني.

Abstract

التجفيف تشتت نانوحبيبات طريقة تنوعاً لإنشاء هياكل الذاتي تجميعها من جسيمات نانوية، لكن إليه هذه العملية ليست مفهومة تماما. ونحن قد تتبع مسارات جسيمات نانوية فردية باستخدام خلايا السائل مجهر إلكتروني (TEM) للتحقيق في إليه عملية الجمعية العامة. هنا، فإننا نقدم البروتوكولات المستخدمة للدراسات ال خلايا السائل للتجميع الذاتي إليه. أولاً، نحن نقدم تفصيلاً الاصطناعية البروتوكولات المستخدمة لإنتاج البلاتين موحدة الحجم وجسيمات نانوية سيلينيد الرصاص. وبعد ذلك، نقدم ميكروفابريكيشن العمليات المستخدمة في إنتاج خلايا السائل مع نيتريد السيليكون أو windows السليكون ووصف ثم التحميل وتصوير إجراءات تقنية تيم خلايا السائل. وترد عدة مذكرات لتقديم نصائح مفيدة للعملية برمتها، بما في ذلك كيفية إدارة windows الخلية الهشة. الطلبات الفردية لجسيمات نانوية تعقبها بواسطة تيم خلايا السائل كشفت أن التغيرات في حدود المذيبات الناجمة عن التبخر تؤثر على عملية التجميع الذاتي لجسيمات نانوية. قاد حدود المذيبات جسيمات نانوية بالدرجة الأولى شكل غير متبلور المجاميع، متبوعاً تسطيح الأرقام الإجمالية لإنتاج بنية تجميعها ذاتيا ثنائي الأبعاد (2D). ولوحظت هذه السلوكيات أيضا لأنواع مختلفة من نانوحبيبات وتركيبات مختلفة من خلايا السائل.

Introduction

التجميع الذاتي للجسيمات النانوية الغروية هو من الفائدة لأنه يوفر فرصة للوصول إلى الخصائص الفيزيائية الجماعية لجسيمات نانوية فردية11. إحدى الطرق الأكثر فعالية للتجميع الذاتي المستخدمة في التطبيقات العملية على نطاق الجهاز هو التنظيم الذاتي لجسيمات نانوية في ركيزة عن طريق التبخر المذيبات المتطايرة6،،من78، 9 , 10 , 11-هذا الأسلوب تبخر المذيبات هي عملية نونيكويليبريوم، الذي يتأثر إلى حد كبير بالعوامل الحركية مثل معدل التبخر والتغييرات في التفاعلات نانوحبيبات-الركيزة. ومع ذلك، نظراً لأنه من الصعب تقدير والتحكم في العوامل الحركية، فهم الميكانيكية نانوحبيبات التجميع الذاتي بتبخر المذيبات ليست ناضجة تماما. على الرغم من أن في الموقع بالأشعة السينية ونثر الدراسات قدمت معلومات الفرقة في المتوسط نونيكويليبريوم عملية نانوحبيبات التجميع الذاتي12،،من1314، هذا الأسلوب لا تحديد حركة جسيمات نانوية فردية، وارتباطها بمسار الشامل لا يمكن الوصول إليها بسهولة.

تيم خلايا السائل أداة ناشئة لتتبع مسار جسيمات نانوية فردية، مما مكننا من فهم إينهوموجينيتي نانوحبيبات الالتماسات ومساهمتها في فرقة السلوكيات15،16، 17،،من1819،20،21،،من2223،24،25، 26. وقد استخدمنا سابقا تيم خلايا السائل لتعقب حركة جسيمات نانوية فردية أثناء تبخر المذيبات، تبين أن حركة الحدود المذيبات قوة دافعة رئيسية لحفز نانوحبيبات التجميع الذاتي على الركازة18 , 19-هنا، نحن نقدم التجارب حيث يمكن أن نلاحظ أن عملية التجميع الذاتي باستخدام خلايا السائل تيم نانوحبيبات. أولاً، نحن نقدم البروتوكولات لتركيب البلاتين وتؤدي سيلينيد جسيمات نانوية، قبل الأخذ بإجراءات تصنيع خلايا السائل لل وكيفية تحميل جسيمات نانوية في السائل الخلية. كنتائج تمثيلية، نعرض صور لقطة من أفلام تيم نانوحبيبات التجميع الذاتي مدفوعا بتجفيف المذيبات. من خلال تتبع الجسيمات الفردية في هذه الأفلام، يمكننا أن نفهم آليات تفصيلية لوساطة تجفيف المذيبات التجميع الذاتي على مستوى نانوحبيبات واحد. أثناء التجميع الذاتي، جسيمات نانوية البلاتين في الإطار نيتريد السيليكون أساسا متابعة حركة جبهة المذيب يتبدد بسبب القوى الشعرية تعمل على طبقة رقيقة المذيبات. كما لوحظت ظواهر مماثلة لجسيمات نانوية (سيلينيد الرصاص) وركائز (السيليكون)، مشيراً إلى أن القوة الشعرية للجبهة المذيبات عاملاً هاما في الهجرة الجسيمات قرب ركيزة الأخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. "التوليف من جسيمات نانوية"

  1. توليف لجسيمات نانوية البلاتين
    1. الجمع بين 17.75 مغ من hexachloroplatinate(IV) الأمونيوم ((NH 4) 2 Cl Pt (الرابع) 6)، مغ 3.72 من tetrachloroplatinate(II) الأمونيوم ((NH 4) 2 Cl Pt (الثاني) 4)، ملغ 115.5 بروميد تيتراميثيلامونيوم، 109 مغ poly(vinylpyrrolidone) (MW: 29,000)، و 10 مل جليكول مع شريط ضجة في قارورة قاع جولة 3-رقبته 100 مل مجهزة الغشاء المطاطي.
      2. تجهيز قارورة مع مكثف الجزر
    2. وتطهير تحت الفراغ. إثارة رد فعل المخلوط مع شريط إثارة مغناطيسية 1,000 لفة في الدقيقة-
    3. تسخين المخلوط رد فعل إلى 180 درجة مئوية في عباءة تدفئة بمعدل 10 درجة مئوية/دقيقة تحت تدفق الأرجون.
    4. الحفاظ على درجة الحرارة (180 درجة مئوية) لمدة 20 دقيقة. يصبح الحل لون بني داكن.
    5. إزالة قارورة من عباءة تدفئة للسماح لها لتبرد بدرجة حرارة الغرفة-
    6. نقل المنتج إلى أنبوب الطرد مركزي 50 مل. إضافة 30 مل الأسيتون للمنتج يعجل جسيمات نانوية والطرد المركزي العينة في 2,400 س ز للحد الأدنى 10
      ملاحظة: للسلامة، ينبغي أن يتم تنفيذ هذه العملية في غطاء دخان.
    7. تجاهل المادة طافية وإعادة تفريق ترسبات سوداء مع 10 مل إيثانول-
    8. يعجل المنتج مع 30 مل تولوين والطرد المركزي من التعليق في س 2,400 ز لأدنى 10 تجاهل المادة طافية وإعادة تفريق ترسبات سوداء مع 10 مل إيثانول. كرر هذه العملية 3 مرات.
      9. إضافة 5 مل أولييلاميني إلى جسيمات نانوية البلاتين
    9. ونقل التشتت قارورة مستديرة قاع 100 مل. ارتداد تشتت بين عشية وضحاها تحت إثارة المغناطيسية 1,000 لفة في الدقيقة للسماح برد فعل تبادل تحدث يجند.
    10. الطرد المركزي جسيمات نانوية تبادل يجند في 10,000 ز س لمدة 30 دقيقة لفصلها عن الحل-
    11. تجاهل المادة طافية وتفريق جسيمات نانوية البلاتين في 10 مل المذيبات مسعور، مثل التولوين، الهكسين، أو كلوروفورم.
  2. توليف لجسيمات نانوية سيلينيد الرصاص
    1. إعداد اوليئات الرصاص
      1. الجمع بين مغ 758 من خلات الرصاص ثلاثي (2 ·3H Pb(Ac) 2 س) و 2.5 مل من حمض الأولييك 10 مل من الاثير خماسي البروم ثنائي الفينيل مع شريط ضجة في قارورة قاع جولة 3-رقبته 100 مل مجهزة الغشاء المطاطي.
      2. تجهيز قارورة مع مكثف ارتداد.
      3. ديغا المخلوط على 70 درجة مئوية تحت فراغ شرطا ح 2 ويقلب مع شريط إثارة مغناطيسية 1,000 لفة في الدقيقة-
      4. تطهير قارورة مع الأرجون وبارد ثم أنها على درجة حرارة الغرفة.
    2. إعداد تريوكتيلفوسفيني سيلينيد (توبس)
      1. في وعاء منفصل، الجمع بين 474 ملغم من السلينيوم و 6 مل من تريوكتيلفوسفيني (أعلى) تحت جو خامل، استخدام الدرج الأمامي لمنع التعرض للمواد الكاشفة للهواء.
      2. حل مسحوق السيلنيوم في أعلى من ultrasonication في 110 ث، 40 كيلو هرتز، والمزيج باستخدام خلاط دوامة حتى يصبح الحل واضح شفاف.
    3. في قارورة السفلي 3-رقبته جولة منفصلة 250 مل، ديغا 15 مل البروم عند 120 درجة مئوية تحت حالة فراغ مع التحريك المغناطيسي 1,000 لفة في الدقيقة للحد الأدنى 30
    4. تطهير قارورة مع الأرجون، وثم الحرارة البروم إلى 230 درجة مئوية.
      5. سرعة ضخ
    5. اوليئات الرائدة والحلول توبسي في الاثير ثنائي الفينيل الساخن مسبقاً. أن درجة الحرارة ستنخفض إلى حد ما عند الحقن. ضبط درجة حرارة الشيخوخة إلى 170 درجة مئوية.
    6. الحفاظ على درجة حرارة المخلوط على 170 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة مع إثارة قوية للسماح بنمو الجسيمات النانوية سيلينيد الرصاص تحدث.
    7. إزالة قارورة من عباءة تدفئة للسماح لها لتبرد بدرجة حرارة الغرفة-
    8. إعداد اثنين من أنابيب الطرد المركزي 50 مل وتقسيم المنتج إلى أحجام متساوية ونقل بالأنابيب. إضافة 30 مل إيثانول إلى كل أنبوبة يعجل جسيمات نانوية والطرد المركزي بتعليق في 2,400 س ز للحد الأدنى 10
    9. تجاهل المادة طافية وإعادة تفريق ترسبات سوداء مع 10 مل تولوين.
    10. يعجل المنتج مع 30 مل إيثانول والطرد المركزي من التعليق في س 2,400 ز لأدنى 10 تجاهل المادة طافية وإعادة تفريق ترسبات سوداء مع 10 مل تولوين. كرر هذه العملية 3 مرات.
    11. تجاهل المادة طافية وتفريق جسيمات نانوية سيلينيد الرصاص في 10 مل المذيبات مسعور، مثل التولوين، الهكسين، أو كلوروفورم.

2. تصنيع خلايا السائل

  1. نيتريد السيليكون السائل-الخلية ( الشكل 3a )
    1. ترسب طبقة نيتريد السيليكون
      1. إيداع فيلم نيتريد سيليكون منخفضة الضغط على 100 رقائق السيليكون ميكرومتر سميكة (4 بوصة) بترسب بخار الضغط المنخفض الكيميائية (لبكفد) في 835 درجة مئوية وضغط متور 140 مع تدفق 100 ديتشلوروسيلاني sccm و 50 sccm الأمونيا. التحكم في سمك طبقة نيتريد السيليكون لتكون ~ 25 نانومتر باختلاف وقت الترسيب. أن معدل الترسيب 2.5-3.0 نيوتن متر/دقيقة، ولكن يختلف قليلاً عن كل الرسوم التعويضية-
    2. العلوي والسفلي رقائق
      ملاحظة: يرجى الرجوع إلى مرجع 25 للحصول على وصف مفصل لعملية ميكروفابريكيشن.
      1. معطف تدور 10 مل من مقاوم الضوء الإيجابي على رقاقة السيليكون/نتريد السليكون على 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية، استخدام الواقي الضوئي ما يكفي الرطب يفر تماما.
        ملاحظة: رقائق السليكون سامسونج كسر بسهولة أثناء الدوران. نعلق رقاقة سامسونج على رقاقة السيليكون آخر عادة مع سمك 500 ميكرومتر استخدام الواقي الضوئي لتجنب الكسر. بعد زيادة ونقصان-طلاء، يفصل يفر سميكة يفر رقيقة بالانغماس في الأسيتون. يمكن أيضا استخدام هذا الأسلوب في العملية التالية لطلاء تدور على رقائق السليكون سامسونج.
      2. خبز رقاقة على لوحة الساخن في 85 درجة مئوية مقابل 60 س.
        ملاحظة: لا خبز يفر مستعدة عند درجات حرارة > 110 ° الخبز جيم مقاوم الضوء في درجات حرارة عالية سوف يسبب الواقي الضوئي لتغيير من إيجابي إلى مقاوم الضوء سلبية.
      3. تعريض رقاقة المغلفة بمقاوم الضوء للأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) لمدة 10 ق من خلال قناع كروم ( الشكل 1a).
        4. س.
      4. تزج يفر المغلفة بمقاوم الضوء إلى 50 مل من محلول المطور ل 40 نقع يفر المتقدمة في 50 مل مياه لمدة 1 دقيقة لغسل يفر. كرر عملية الغسيل مرتين.
      5. أحفر نيتريد السيليكون لمدة 1 دقيقة استخدام تنميش أيون المتفاعلة مع تدفق sccm 50 سادس فلوريد الكبريت-
      6. تزج شريحة أعلى وأسفل شريحة في الأسيتون لمدة 2 دقيقة لإزالة مقاوم الضوء. هز الطبق بلطف باليد لإزالة مقاوم الضوء فعالية.
      7. أحفر السيليكون مع محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم (30 ملغ/مل) في 85 درجة مئوية عن 1.5-2 حاء استخدام حمام مائي لضمان أن يكون الحل النقش له ملف تعريف درجة حرارة موحدة. تفاوت درجات الحرارة سيؤدي إلى بعض المناطق يجري مفرط هتشيد مع بعض شكل غير كامل محفوراً.
      8. عندما يظهر الإطار ليكون محفوراً تماما بالعين المجردة، ووقف النقش وتتخذ الخلية خارج الحل النقش. إمالة الخلية عند إزالتها من الحل النقش لتجنب فرصة النافذة يتم كسر بالطفو، الأمر الذي يمكن أن يحدث إذا رفعت أفقياً.
      9. تكرار هذه الإجراءات مع قناع للرقاقة السفلي ( الشكل 1b).
        ملاحظة: كما نوافذ شرائح أعلى وأسفل جداً رقيقة، حوالي 25 نانومتر، فهشة للغاية. ولذلك، ينبغي اتخاذ الحذر الشديد عند التعامل. ينبغي دائماً أن تواجه الجانب نافذة صعودا عندما هو استراح الرقاقة على سطح-
    3. الترابط ورقائق أعلى وأسفل
      1. تدور معطف 10 مل من مقاوم الضوء الإيجابي على رقاقة السيليكون/نتريد السليكون على 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 س.
      2. خبز رقاقة على لوحة الساخن عند 90 درجة مئوية مقابل 60 س.
      3. تعريض رقاقة المغلفة بمقاوم الضوء للأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) لمدة 10 ق من خلال قناع كروم ( الشكل 1 ج).
        4. س.
      4. تزج يفر المغلفة بمقاوم الضوء إلى 50 مل من محلول المطور ل 40 نقع يفر المتقدمة في 50 مل مياه لمدة 1 دقيقة لغسل يفر. كرر عملية الغسيل مرتين.
      5. إيداع طبقة سميكة نانومتر ~ 100 من الإنديوم على رقاقة أسفل استخدام مبخر حراري. الطبقة إنديوم يستخدم كفاصل ومادة ختم.
      6. تزج الرقاقة في الأسيتون لمدة 2 دقيقة لإزالة مقاوم الضوء. هز الطبق بلطف باليد لإزالة مقاوم الضوء فعالية.
      7. محاذاة رقائق السفلي والعلوي باستخدام راصفة والسندات لهم عند 100 درجة مئوية.
  2. السليكون السائل--الخلية ( الشكل 3b )
    1. إعداد لأعلى وأسفل رقائق
      1. استخدام رقائق السيليكون على عازل (SOI) من نوع p مع سمك طبقة من 100 نانومتر، 400 نانومتر، و 600 ميكرون السيليكون أعلى، دفن SiO 2، والتعامل مع السيليكون والطبقات، على التوالي.
      2. أكسدة إجراء الرطب ليفر صوا في فرن أكسدة في 950-1100 درجة مئوية تنمو طبقة من أكسيد السيليكون مع سمك 170 نانومتر.
      3. أحفر أكسيد السيليكون التي تستنزف يفر صوا أكسيد مخزنة أحفر الحل (بنك إنجلترا) في درجة حرارة الغرفة لمدة دقيقة 2، الذي تنميش رطب من أكسيد السيليكون. خطوات 2.2.1.2 و 2.2.1.3 ويهدف إلى تقليل سمك طبقة السيليكون أعلى ليفر صوا إلى 25 نانومتر.
      4. إيداع طبقة من نيتريد السيليكون منخفضة الضغط مع سماكة 25 نانومتر على رقائق صوا (4 بوصة) باستخدام نفس الشروط العملية كما هو الحال في الخطوة 2.1.1.1 لبكفد-
      5. نمط نيتريد السيليكون باستخدام نفس العمليات وقناع أنماط كما هو الحال في الخطوات 2.1.2.1-2.1.2.4.
      6. تزج الرقائق في الأسيتون لمدة 2 دقيقة لإزالة مقاوم الضوء. هز الطبق بلطف باليد لإزالة مقاوم الضوء فعالية.
      7. أحفر أكسيد السيليكون مع الحل بنك إنجلترا لمدة 30 س.
      8. أحفر السيليكون مع محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم (500 مغ/مل) في 80 درجة مئوية ل 7-12 حاء Trimethylamine هيدروكسيد (تماه) محلول مائي يمكن أن تستخدم أيضا للنقش السيليكون.
      9. أحفر نيتريد السيليكون مع حمض الفوسفوريك 85% على 160 درجة مئوية للحد الأدنى 10
      10. أحفر أكسيد السيليكون مع الحل بنك إنجلترا في درجة حرارة الغرفة للحد الأدنى 3
      11. تكرار إجراءات خطوات 2.2.1.1-2.2.1.10 مع قناع للرقاقة السفلي ( الشكل 1b).
    2. الترابط ورقائق أعلى وأسفل
      1. تدور معطف 10 مل من مقاوم الضوء الإيجابي على رقاقة السيليكون/نتريد السليكون على 3000 دورة في الدقيقة لمدة 30 س.
      2. خبز رقاقة على لوحة الساخن عند 90 درجة مئوية مقابل 60 س.
      3. تعريض رقاقة المغلفة بمقاوم الضوء للأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) لمدة 10 ق من خلال قناع كروم ( الشكل 1 ج).
        4. س.
      4. تزج يفر المغلفة بمقاوم الضوء إلى 50 مل من محلول المطور ل 40 نقع يفر المتقدمة في 50 مل مياه لمدة 1 دقيقة لغسل يفر. كرر عملية الغسيل مرتين.
      5. إيداع طبقة سميكة نانومتر ~ 100 من الإنديوم على رقاقة أسفل استخدام مبخر حراري. الطبقة إنديوم يستخدم كفاصل ومادة ختم.
      6. تزج الرقاقة في الأسيتون لمدة 2 دقيقة لإزالة مقاوم الضوء. هز الطبق بلطف باليد لإزالة مقاوم الضوء فعالية.
      7. محاذاة رقائق السفلي والعلوي باستخدام راصفة والسندات لهم عند 100 درجة مئوية.

3. خلايا السائل تيم

  1. تحميل الحل
    1. إضافة 20 ميليلتر من تشتت نانوحبيبات (بروتوكول 1.1 و 1.2) إلى 5 مل فيال وجاف في الهواء للحد الأدنى 10 ديسبيرس جسيمات نانوية في خليط المذيبات (1 مل من س-ثنائي كلور البنزن، 250 ميليلتر من بينتاديكاني، و 10 ميليلتر من أولييلاميني).
      ملاحظة: التجفيف تحت الظروف القاسية، مثل ارتفاع درجة الحرارة والضغط المنخفض، ولمدد طويلة قد يؤدي تشتت نانوحبيبات الفقيرة. نظراً للتفاعلات يجند للجسيمات الحيوية، هناك احتمال كبير للتكتل الجسيمات بعد مفرزة يجند الظروف القاسية. منذ س-ثنائي كلور البنزن، بينتاديكاني، وأولييلاميني لها بخار الضغوط المختلفة، عملية التجفيف ينبغي الاضطلاع مباشرة قبل عملية تحميل الحفاظ على نسبة المذيبات ثابت-
    2. فحص السائل-الخلية مجهر ضوئي باستخدام-
      ملاحظة: إذا كان أي من نوافذ سائل خلية مكسورة، لا تستخدم الخلية.
    3. NL تحميل ~ 100 من تشتت نانوحبيبات في الخزانات ( الشكل 2a و 2b) السائل-الخلية. حاقن مجهزة شعري سامسونج ( الشكل 2 ج) يمكن استخدامها لتحميل كمية صغيرة من التشتت في خزانات السائل-الخلية فعالة.
      ملاحظة: بشكل عام، حقن مقدار تشتت نانوحبيبات يتجاوز قدرة الخزان. إذا امتدت التشتت من الخزان، لا يجوز ختم السائل-الخلية تماما. ولذلك، يجب أن تستوعبها أي تشتت تفيض خارج الخزان غيض من تصفية ورقة مقطعة شكل مروحة. تجنب الاتصال مع النافذة خلال الاستيعاب.
    4. فضح السائل-الخلية في الهواء لمدة 10 دقيقة حتى تجف س-ثنائي كلور البنزن.
    5. تطبيق فراغ الشحوم على جانب واحد من شبكة الفتحة النحاس بحجم 2 مم وهول-حجم 600 ميكرون وتغطية السائل-الخلية مع الجانب مدهون من الشبكة الفتحة لخلق بيئة مختومة.
      ملاحظة: يقلل الشحوم فراغ المودعة في النافذة إلى حد كبير القرار تيم. وبالتالي، يجب عدم تصحيح عدم تطابق الثقب في شبكة الفتحة النحاس مع إطار الخلية في المحاولة الأولى؛ بدلاً من ذلك، يجب أن يتم تجاهل الخلية وإعداد واحد جديد-
  2. القياس تيم
    1. مكان السائل-الخلية في حامل تيم قياسية. السائل-الخلية صمم لتناسب حامل قياسي.
      ملاحظة: استخدام القفازات لتجنب تلوث حامل TEM.
      2. تعيين
    2. تيم في صورة مستمرة اكتساب وضع. التقاط صور تيم في جهد تسارع 200 كيلو فولت ذات كثافة الحالية ~ 700/م 2-
      ملاحظة: كثيرا ما تحقق مستوى الضغط تيم. إذا كان مستوى الضغط غير طبيعي، وقف التصوير فورا وإزالة الحامل من تيم الدائرة، في أسرع وقت ممكن. التباين المنخفض لخلايا السائل يسبب صعوبة في التركيز الصورة. المحاذاة الدقيقة والتركيز يمكن أن يؤديها بسهولة خشنة تركيز المبدئي على حافة النافذة. يمكن التحكم في معدل التجفيف بتغيير الكثافة الحالية. ويمكن قياس معدل التجفيف 2D عن طريق تتبع حجم بقع تجفيف المتطورة. ومع ذلك، من الصعب أن كانتيالسنة المالية تجفيف معدل من حيث الحجم-
    3. فتح الصور تيم الأصلي باستخدام حزمة البرامج إيماجيج. حدد رمز نقطة متعددة للبرنامج وتعيين المراكز لجميع جسيمات نانوية فردية للصورة، واستخراج ثم x و y إحداثيات الجسيمات المحدد.
    4. حساب دالة التوزيع شعاعي (قوات الدفاع الرواندية):
      Equation 1
      حيث r هي المسافة إينتيربارتيكلي، N هو عدد الجسيمات، و هو منطقة مشمولة بالجسيمات، ρ كثافة مساحية ثنائية الأبعاد جسيمات (N/A)، Equation 2 متجه الموضع من الجسيمات ي للجسيمات k و δ (r) هو دالة دلتا ديراك. ونحن نستخدم Equation 3 حيث = 0.8 شمال البحر الأبيض المتوسط كدالة دلتا ديراك لحساب واقعية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

السائل-الخلية يتكون من شريحة أعلى وشريحة أسفل، ومزودة بنوافذ نيتريد السيليكون تتسم بالشفافية شعاع إلكترون مع سماكة 25 نانومتر. وقد شرائح أعلى مستودع لتخزين نموذج الحل والمذيبات المتبخرة. رقائق البطاطس تتم عن طريق ميكروفابريكيشن التقليدية معالجة25. ويبين الشكل 1a الأقنعة المستخدمة للرقائق العلوية والسفلية و 1 باء، على التوالي. الشكل 2 ألف و 2b إظهار صور رقائق أعلى وأسفل، على التوالي. الرقائق مفصولة بفاصل 100 نانومتر سميكة للسماح بحل نانوحبيبات أن تكون محملة (الشكل 1 ج). ونحن أيضا ملفقة خلايا السليكون السائل من رقائق صوا. من خلال عملية النقش والزخرفة، خلايا السائل وجود windows السيليكون مع سماكة 25 نانومتر يتم الحصول عليها. وترد في الشكل 3عمليات تصنيع نيتريد السيليكون والسائل-خلايا السليكون.

التجميع الذاتي من جسيمات نانوية البلاتين في نيتريد سيليكون كان درس خلايا السائل استخدام تيم خلايا السائل. ويبين الشكل 4 الحركة الزمانية لجسيمات نانوية أثناء تبخر المذيبات. كما تبخر المذيب من نقاط مختلفة، يتحرك جبهة المذيب وسحبها جسيمات نانوية الجبهة المذيبات. هذه الحركة بوساطة واجهة يحدث بسبب القوى الشعرية رقيقة الطبقة الموسرة وانخفاض الطاقة الحرة عندما تكون الجسيمات في الواجهة.

لوحظ أيضا اقتراحا بوساطة واجهة مشابهة بجسيمات نانوية لجسيمات نانوية سيلينيد الرصاص (الشكل 5). جسيمات نانوية تتحرك على طول الجبهة المذيبات. تجميع المجالات تنمو بإضافة جسيمات نانوية أن يتم سحب القوات الشعرية رقيقة الطبقة الموسرة. وبالإضافة إلى ذلك، يحمل جسيمات نانوية البلاتين على ركائز السليكون سلوك مشابهة لتلك التي على ركائز نيتريد السيليكون (الشكل 6).

Figure 1
رقم 1: التوضيح من الأقنعة الثلاثة المستخدمة للزخرفة الرقائق الأعلى ()، (ب) أسفل رقائق، والفواصل (ج). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: صورة مجهرية ضوئية () أعلى شريحة و (ب) شريحة أسفل. (ج) صورة الصك تحميل مجهزة شعري سامسونج. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: رسم تخطيطي لعمليات التصنيع () نيتريد السيليكون السائل-الخلية وخلايا (ب) السيليكون السائل. طبع بإذن من "جمعية الكيميائيين الأمريكية"19. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
4 الرقم: لقطة صور من السائل-الخلية من فيلم مسجل من قبل تيم المذيب التجفيف-بوساطة التجميع الذاتي من جسيمات نانوية البلاتين في نيتريد سيليكون سائل-خلية- وكانت الصور s المتخذة في () 0 و s (ب) 23، s (ج) 28, s (د) 33، s (ﻫ) 56 وأشرطة مقياس س. (و) 90 = 100 نانومتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
5 الرقم: لقطة صور من السائل-الخلية من فيلم مسجل من قبل تيم المذيب التجفيف-بوساطة التجميع الذاتي من جسيمات نانوية سيلينيد الرصاص في نيتريد سيليكون سائل-خلية- الصور كانت s المتخذة في () 0، s (ب) 5, s (ج) 8، وأشرطة مقياس س. (د) 10 = 200 نانومتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
رقم 6: صور لقطة من السائل-الخلية من فيلم مسجل من قبل تيم من المذيبات التجفيف-بوساطة التجميع الذاتي من جسيمات نانوية البلاتين في خلية سائل سيليكون. وكانت الصور s المتخذة في () 0 و s (ب) 12, s (ج) 30، s (د) 38, s (ﻫ) 69 وأشرطة مقياس س. (و) 99 = 100 نانومتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 7
7 الرقم: دالة التوزيع شعاعي (قوات الدفاع الرواندية) من جسيمات نانوية البلاتين في نتريد سائل-خلايا سليكون في s (أسود) 0 و s (الأحمر) 56، و 90 (الأزرق) s في الشكل 4. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

جسيمات نانوية البلاتين مع حجم 7 تم توليفها شمال البحر الأبيض المتوسط عن طريق الحد من هيكساتشلوروبلاتيناتي الأمونيوم (رابعا) والأمونيوم تيتراتشلوروبلاتيناتي (II) باستخدام بولي (فينيلبيروليدوني) (حماية الأصناف النباتية) يجند وجليكول كمذيب وعامل تخفيض27 . وأجرى فعل يجند-تبادل مع أولييلاميني لتفريق الجزيئات في المذيبات مسعور. تم توليفها جسيمات نانوية سيلينيد الرصاص عن طريق التحلل الحراري لمجمعات اوليئات يؤدي استخدام أعلى-Se سيلينيوم مصدر28 (انظر مرجع29 لتركيب مفصل نانوكريستالس تشالكوجينيدي). وبالفعل كانت توج جسيمات نانوية سيلينيد الرصاص توليف مع سلسلة طويلة يغاندس، الجسيمات لا تتطلب عملية تبادل يجند. البلاتين مسعور وقد توزعت جسيمات نانوية سيلينيد الرصاص في مذيب مختلطة مؤلفة من س-ثنائي كلور البنزن، بينتاديكاني، وأولييلاميني. س-ثنائي كلور البنزن، التي لها نقطة غليان منخفضة نسبيا (180.5 درجة مئوية)، يفترض أن يتبخر أثناء تحميل الحل، ولكن بينتاديكاني، الذي لديه نقطة الغليان عالية (270 درجة مئوية)، يبقى بعد التبخر س-ثنائي كلور البنزن. وأضيف تتبع كمية أولييلاميني كالسطح إضافية لمنع التراكم جسيمات نانوية.

نحن ملفقة خلايا السائل التي تتفق مع أصحاب تيم التقليدية استخدام تقنيات ميكروفابريكيشن الروتينية للحصول على صور تيم لجسيمات نانوية في حل25. وترد في الشكل 1الأقنعة المستخدمة لصنع الرقائق العلوية والسفلية. نوافذ نيتريد السيليكون الخلية رقيقة جداً (25 نانومتر) حتى معالجة دقيقة أثناء العملية مطلوب. وهناك بعض الحالات التي من المحتمل أن تتسبب windows الهشة لكسر. أولاً، وضع الجانب النافذة خلايا السائل على الأسطح قد يؤدي windows لكسر بسبب الاحتكاك. أيضا، عندما تؤخذ الخلايا خارج الحل النقش، الطفو الحل قد كسر النوافذ. وبالإضافة إلى ذلك، قد كسر النوافذ أثناء تجفيف الغسيل الحل مع تدفق هواء، حيث ينبغي أن تكون مهب الهواء أفقياً بكثافة ضعيفة.

البلاتين وتشتت نانوحبيبات سيلينيد الرصاص في المذيب مختلطة يتم تحميلها في خزان على شكل مستطيل كبير السائل-الخلايا. الحل الذي يتدفق في وسط الخلايا النوافذ التي توجد فيها، بسبب القوى الشعرية. استخدام حاقن مجهزة يساعد الشعرية سامسونج تحميل كمية صغيرة من التشتت في الخلايا فعالة. هي مختومة الخلايا التي تغطي لهم مع شبكات الفتحة النحاس، التي تم تطبيق فراغ الشحوم. كما ينبغي أن الرعاية لا لكسر النوافذ الخلية أثناء الجمعية العامة للخلايا. إذا تم العثور على كسر إطار الخلية، ينبغي إدراج السائل-الخلية ابدأ في دائرة TEM.

لاحظنا نانوحبيبات الحركة في الوقت الحقيقي باستخدام تقنية ال خلايا السائل. وقد صور تيم مناطق مظلمة ومشرقة نسبيا بسبب سماكة متفاوتة من الحل (الشكل 4). المناطق المظلمة، المقابلة لمناطق سميكة نسبيا من الحل، تقلصت بشكل مستمر تحت إشعاع بشعاع الإلكترون. يمكن فعل هذا التغيير بالمذيبات التجفيف، وتشكيل فقاعة، أو ديويتينج. 30 فيما بينها، التغيير في المقابل هو موضح في الشكل 4 يبدو أن سببها المذيبات التجفيف، بدلاً من تشكيل فقاعة أو ديويتينج. عندما يحدث تشكيل فقاعة، تظهر المناطق مشرق من أشكال دائرية أو بيضاوية والدمج بشكل حيوي، ولكن لا يعتبر هذه الظاهرة في الشكل 431. من ناحية أخرى، وبالنظر إلى السطح نيتريد السيليكون مسعور و hydrophobicity من المذيبات المستخدمة، أثر ديويتينج غير ذي بال.

ويبين الشكل 4 عملية التجميع الذاتي لجسيمات نانوية البلاتين كما يتبخر مذيب تشتت الجسيمات. المذيبات التجفيف-بوساطة التجميع الذاتي من جسيمات نانوية يتألف من عدة خطوات. أولاً، جسيمات نانوية اختصار إلى اجلمرتر غير متبلور مع عدة طبقات من المذيب تتحرك سريعاً. ثانيا، هذه اجلمرتر تتسطح على الركيزة شكل أحادي الطبقة. أخيرا، تؤدي تقلبات المذيبات المحلية في بنية مرتبة من جسيمات نانوية. نحن تتبع مواقف الجسيمات في ثلاثة أوقات مختلفة (0 s، 56 s، و 90 s) وتحليل كمي الجمعية العامة عن طريق حساب قوات الدفاع الرواندية في هذه الأوقات (الشكل 7). عند t = 0 ق، قوات الدفاع الرواندية يظهر فقط ذروة صغيرة قرب 10 نانومتر، مما يشير إلى الجسيمات هي موزعة بشكل عشوائي. كما تبخر المذيب، جسيمات نانوية الاقتراب معا، وتحولات ذروة قوات الدفاع الرواندية على مسافة أقصر. يظهر قوات الدفاع الرواندية ذروتها قوية قرب 8.3 نانومتر في 90 س. النظر في حجم الجسيمات النانوية (7.3 شمال البحر الأبيض المتوسط) وطول يغاندس (~ 1 نانومتر)، فإن ردفس تشير إلى أن الجزيئات يتم تجميعها في أقرب مسافة ممكنة عند تجفيف المذيبات.

المرحلة الأولى من عملية التجميع الذاتي لجسيمات نانوية سيلينيد الرصاص شبيه بجسيمات البلاتين (الشكل 4 و الشكل 5). في المرحلة التالية، ولكن عملية تجميع لجسيمات نانوية سيلينيد الرصاص يختلف من البلاتين. ويبين الشكل 5b أن جسيمات نانوية تم تجميعها ذاتيا مع وجود فجوة بين جسيمات نانوية، مما يشير إلى وجود التوتر السطحي على السطوح نانوحبيبات. بعد 8 ثوان، ومع ذلك، تختفي هذه الثغرات، والمرفقة جسيمات نانوية معا. وأخيراً، جسيمات نانوية تذوب والإجمالي. إظهار الصور تيم أن الذرات السطحية من جسيمات نانوية سيلينيد الرصاص تنتشر بسرعة. من خلال تحليل خلايا السائل TEM، نحن نحلل السبب لماذا تشكل جسيمات نانوية سيلينيد الرصاص بنية الذاتي تجميعها فريدة من نوعها التي تشكل رابطا مباشرا بين الجزيئات.

لقد أظهرنا إليه متعددة خطوة نانوحبيبات التجميع الذاتي مدفوعا بتبخر المذيبات باستخدام خلايا السائل TEM. تيم خلايا السائل يمكن الملاحظة ليس فقط عملية التجميع الذاتي ولكن أيضا في عملية النمو ومرفق، والتحول من جسيمات نانوية. الأدوات التجريبية التي سوف تساعد على فهم الحركة نانوحبيبات التي لم يكشف عن الأساليب التقليدية في الموقع .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

ونحن نشكر ألف البروفيسور بول اليفيساتوس في جامعة كاليفورنيا، بيركلي وهيون تايغوان الأستاذ في جامعة سيول الوطنية لمناقشة مفيدة. وأيد هذا العمل IBS-R006-D1. W.C.L. قدماه الدعم من صندوق البحوث بجامعة هانيانغ (إتش وأي-2015-N).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ammonium hexachloroplatinate (IV) Sigma-Aldrich 204021
ammonium tetrachloroplatinate (II) Sigma-Aldrich 206105
tetramethylammonium bromide, 98% Sigma-Aldrich 195758
poly(vinylpyrrolidone) powder Sigma-Aldrich 234257 Mw ~29,000
ethylene glycol, anhydrous, 99.8% Sigma-Aldrich 324558
n-hexane, anhydrous, 95% Samchun Chem. H0114
ethanol, anhydrous, 99.5% Sigma-Aldrich 459836
oleylamine, 70% Sigma-Aldrich O7805 Technical grade
lead(II) acetate trihydrate, 99.99% Sigma-Aldrich 467863
oleic acid, 90% Sigma-Aldrich 364525 Technical grade
diphenyl ether, 99% Sigma-Aldrich P24101 ReagentPlus
selenium powder, 99.99% Sigma-Aldrich 229865
tri-n-octylphosphine, 97% Strem 15-6655 Air sensistive
Toluene, anhydrous, 99.9% Samchun Chem. T2419
acetone 99.8% Daejung Chem. 1009-2304
potassium hydroxide, 95% Samchun Chem. P0925
p-type silicon-on-insulator wafers Soitec Power-SOI for liquid cells with silicon windows
tetramethylammonium hydroxide, 25% in H2O J.T.Baker 02-002-109
AZ 5214 E AZ Electronic Materials AZ 5214 E Positive photorest
AZ-327 AZ Electronic Materials AZ-327 AZ 5214 develper
indium pellets 99.98-99.99% Kurt J. Lesker Company EVMIN40EXEB thermal evaporator target
1,2-dichlorobenzene, >99% TCI D1116
pentadecane, >99% Sigma-Aldrich P3406
buffered oxide etch 7:1 microchemicals BOE 7-1 VLSI
phosphoric acid, 85% Samchun Chem. P0449

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shevchenko, E. V., Talapin, D. V., Kotov, N. A., O'Brien, S., Murray, C. B. Structural Diversity in Binary Nanoparticle Superlattices. Nature. 439, 55-59 (2006).
  2. Talapin, D. V., et al. Quasicrystalline Order in Self-Assembled Binary Nanoparticle Superlattices. Nature. 461, 964-967 (2009).
  3. Evers, W. H., Friedrich, H., Filion, L., Dijkstra, M., Vanmaekelbergh, D. Observation of a Ternary Nanocrystal Superlattice and Its Structural Characterization by Electron Tomography. Angew. Chem., Int. Ed. 48, 9655-9657 (2009).
  4. Maillard, M., Motte, L., Pileni, M. P. Rings and Hexagons Made of Nanocrystals. Adv. Mater. 13, 200-204 (2001).
  5. Sztrum, C. G., Rabani, E. Out-of-Equilibrium Self-Assembly of Binary Mixtures of Nanoparticles. Adv. Mater. 18, 565-571 (2006).
  6. Han, W., Lin, Z. Learning From "coffee Rings": Ordered Structures Enabled by Controlled Evaporative Self-Assembly. Angew. Chem., Int. Ed. 51, 1534-1546 (2012).
  7. Bigioni, T. P., et al. Kinetically Driven Self Assembly of Highly Ordered Nanoparticle Monolayers. Nat. Mater. 5, 265-270 (2006).
  8. Govor, L. V., Reiter, G., Parisi, J., Bauer, G. H. Self-Assembled Nanoparticle Deposits Formed at the Contact Line of Evaporating Micrometer-Size Droplets. Phys. Rev. E. 69, 61609 (2004).
  9. Kletenik-Edelman, O., et al. Drying-Mediated Hierarchical Self-Assembly of Nanoparticles: A Dynamical Coarse-Grained Approach. J. Phys. Chem. C. 112, 4498-4506 (2008).
  10. Kletenik-Edelman, O., Sztrum-Vartash, C. G., Rabani, E. Coarse-Grained Lattice Models for Drying-Mediated Self-Assembly of Nanoparticles. J. Mater. Chem. 19, 2872-2876 (2009).
  11. Rabani, E., Reichman, D. R., Geissler, P. L., Brus, L. E. Drying-mediated self-assembly of nanoparticles. Nature. 426, 271-274 (2003).
  12. Loubat, A., et al. Growth and Self-Assembly of Ultrathin Au Nanowires into Expanded Hexagonal Superlattice Studied by in Situ SAXS. Langmuir. 30, 4005-4012 (2014).
  13. Connolly, S., Fullam, S., Korgel, B., Fitzmaurice, D. Time-Resolved Small-Angle X-Ray Scattering Studies of Nanocrystal Superlattice Self-Assembly. J. Am. Chem. Soc. 120, 2969-2970 (1998).
  14. Lu, C., Akey, A. J., Dahlman, C. J., Zhang, D., Herman, I. P. Resolving the Growth of 3D Colloidal Nanoparticle Superlattices by Real-Time Small-Angle X-Ray Scattering. J. Am. Chem. Soc. 134, 18732-18738 (2012).
  15. 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 Lett. 9, 2460-2465 (2009).
  16. Jungjohann, K. L., Bliznakov, S., Sutter, P. W., Stach, E. A., Sutter, E. A. In Situ Liquid Cell Electron Microscopy of the Solution Growth of Au-Pd Core-Shell Nanostructures. Nano Lett. 13, 2964-2970 (2013).
  17. Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
  18. Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. ACS Nano. 6, 2078-2085 (2012).
  19. Lee, W. C., Kim, B. H., Choi, S., Takeuchi, S., Park, J. Liquid Cell Electron Microscopy of Nanoparticle Self-Assembly Driven by Solvent Drying. J. Phys. Chem. Lett. 8, 647-654 (2017).
  20. Park, J., et al. 3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy. Science. 349, 290-295 (2015).
  21. Chee, S. W., Baraissov, Z., Loh, N. D., Matsudaira, P. T., Mirsaidov, U. Desorption-Mediated Motion of Nanoparticles at the Liquid-Solid Interface. J. Phys. Chem. C. 120, 20462-20470 (2016).
  22. Liu, Y., Lin, X. -M., Sun, Y., Rajh, T. In Situ Visualization of Self-Assembly of Charged Gold Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 135, 3764-3767 (2013).
  23. Verch, A., Pfaff, M., de Jonge, N. Exceptionally Slow Movement of Gold Nanoparticles at a Solid/Liquid Interface Investigated by Scanning Transmission Electron Microscopy. Langmuir. 31, 6956-6964 (2015).
  24. Sutter, E., et al. In Situ Microscopy of the Self-Assembly of Branched Nanocrystals in Solution. Nat. Commun. 7, 11213 (2016).
  25. Niu, K. -Y., Liao, H. -G., Zheng, H. Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquid Using Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (70), e50122 (2012).
  26. Hermannsdörfer, J., de Jonge, N. Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (120), e54943 (2017).
  27. Tsung, C. K., et al. Sub-10 nm Platinum Nanocrystals with Size and Shape Control: Catalytic Study for Ethylene and Pyrrole Hydrogenation. J. Am. Chem. Soc. 131, 5816-5822 (2009).
  28. Cho, K. S., Talapin, D. V., Gaschler, W., Murray, C. B. Designing PbSe Nanowires and Nanorings through Oriented Attachment of Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 127, 7140-7147 (2005).
  29. Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Talapin, D. V., Alivisatos, A. P. Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals. J. Vis. Exp. (82), e50731 (2013).
  30. Woehl, T. J., et al. Experimental Procedures to Mitigate Electron Beam Induced Artifacts During in situ Fluid Imaging of Nanomaterials. Ultramicroscopy. 127, 53-63 (2013).
  31. Shin, D., et al. Growth Dynamics and Gas Transport Mechanism of Nanobubbles in Graphene Liquid Cells. Nat. Commun. 6, 6068 (2015).

Tags

الكيمياء، المسألة 128، جسيمات نانوية، التجميع الذاتي، تجفيف المذيبات، مجهر إلكتروني، سائل الخلية TEM، في الموقع TEM
خلايا السائل مجهر إلكتروني لتعقب التجميع الذاتي من جسيمات نانوية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, B. H., Heo, J., Lee, W. C.,… More

Kim, B. H., Heo, J., Lee, W. C., Park, J. Liquid-cell Transmission Electron Microscopy for Tracking Self-assembly of Nanoparticles. J. Vis. Exp. (128), e56335, doi:10.3791/56335 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter