Chemistry

グラフェン液セル透過型電子顕微鏡を使用してナノ結晶エッチングその場を研究するには

Published: May 17, 2018 doi: 10.3791/57665

Matthew R. Hauwiller¹, Justin C. Ondry¹, A. Paul Alivisatos^1,2,3,4

¹Department of Chemistry, University of California-Berkeley, ²Department of Material Science and Engineering, University of California-Berkeley, ³Kavli Energy NanoScience Institute, ⁴Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory

Summary

グラフェン液体セル電子顕微鏡を使用して、他液体セル電子顕微鏡技術よりも空間分解能の大きい液体の環境でナノ結晶のダイナミクスを観察できます。エッチングは、ナノ結晶とグラフェンの液晶セルの透過型電子顕微鏡を使用してその形状を得ることができます次ナノ粒子変換についての重要な機構をあらかじめ作られました。

Abstract

グラフェン液細胞の電子顕微鏡観察のナノスケール化学変換する能力を提供します、反応としてのダイナミクスは、液体の環境で発生しています。本稿では、金ナノ結晶エッチングの (TEM) 実験グラフェングラフェン液晶セルの透過型電子顕微鏡の例を通して液体セルを作るためのプロセスについて説明します。化学気相蒸着グラフェンとゴールド、ホーリーファイバーカーボンの TEM グリッドをコーティングし、グラフェンの 2 つのサーフェス間に液体をカプセル化するそれらのグラフェンコーティングのグリッドを使用して、グラフェンに液体セルを作るためのプロトコルが含まれます。この場合、ナノスケールのプロセスのダイナミクスを金ナノロッドの酸化エッチングにして電子顕微鏡で、関心のナノマテリアルと液体のこれらのポケットが作成されます。液晶セルにおけるエッチング種を変調電子ビームの線量率を制御することによりナノ結晶のさまざまな側面と形状から原子を削除する方法の基になるメカニズムがよく理解できます。グラフェン液体セル TEM には、高分解能、伝統的な TEM ホルダー、および研究グループの低起動コストとの互換性の利点があります。現在の制限には、繊細なサンプル準備、反応を誘発するフローの機能と電子ビーム生成パルスラジオリシス製品への依存の欠如が含まれます。さらに開発と制御、グラフェン液体電池ナノ材料と生物学におけるユビキタス技術になるし、に成長、エッチング、および自己組織液中ナノ材料のプロセスを支配機構を研究対象に既に使用されている、単一粒子のレベル。

Introduction

制御用合成ナノ結晶¹と大きく構造²^,³にナノ粒子を組み立てる方法原子とナノ粒子の対話し、バインドを支配する根本的なメカニズムの理解が必要です。一緒に。理想的には、これらのナノスケールプロセスの研究は興味の現象を観察する必要な対応する空間解像度と天然液体環境で実行されるだろうが、これらの要件は、ナノメートルの長さのための課題を提起これらのシステムを作動させるスケールします。研究者が電子顕微鏡の空間分解能を使用して、これらのプロセスを画像に希望して長いが、高真空電子顕微鏡列の⁴液のカプセル化が必要です。いくつかの初期の液晶セル電子顕微鏡実験 2 シリコン窒化膜⁵^,⁶^,⁷^、⁸、間に液体をカプセル化し、このメソッドは、市販なりました動的なナノスケールプロセスの研究のための技術。

市販のシリコン窒化液体電池 TEM ホルダーは様々な興味深い現象のナノスケール⁹^,¹⁰^、¹¹^,¹²を理解して必要な解像度を提供しています。^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶します。いくつかの商用の液体電池 TEM ホルダー、流れ、加熱などの追加機能がありますし、さらに電気的接続が調べることができますナノスケールプロセスの領域を広げます。ただし、これらの機能のすべては、高い空間分解能を達成するための周りは商用システムへの最適化されていません。改良された空間分解能を必要とする研究者、ウィンドウの厚さを減少させる液体の厚さを減少、電子ビームの散乱が少ないとより良い解像度¹⁷に 2 つの潜在的なルート。シリコン窒化液体セルを使用して、いくつかのグループは、ウィンドウおよび液体の厚さをより細かく制御をもたらす独自の windows を作製します。¹⁸自家製液体細胞の減少の散乱が原子分解能研究¹⁹^,²⁰^,²¹を含むより高い空間解像度と電子顕微鏡を用いた研究を有効になっています。

カプセル化材料の厚さは、否定的液体細胞実験空間分解能に影響を与える 1 つの側面は、原子スケール薄、低 Z 材料グラフェンなど材料²²^,をカプセル化する理想的なんだろう²³. グラフェンシートが列の圧力差から液体のポケットを保護するために十分にまだ強い。さらに、これらのグラフェンの液体電池ポケットには通常達成可能な空間解像度をさらに高める液体の薄い層が含まれています。次のファセットのナノ粒子軌道と原子分解能²³^,²⁴^,^{25 ナノ粒子ダイナミクスの研究を含むグラフェン液体セルで多くの興味深いナノスケールプロセスを検討しています。} ^,^,²⁶²⁷。グラフェン液細胞技術の意図しない利点は、異なる TEM ホルダーや特殊なシリコン加工の購入を必要とせず、この高空間分解能を実現できることです。高解像度を達成したシリコン窒化細胞を用いた実験は、グラフェン液細胞によって得られる解像度はサブ 2 nm のナノ粒子の²⁵の原子分解能を提供できるに対し大きなナノ粒子から成る重原子を必要です。また、グラフェンの液体電池グラフェンカプセル²⁸^,²⁹のための柔軟な性質とを軽減するグラフェンの能力のための電子顕微鏡による生物試料を勉強する機会を開きました電子の有害な効果の一部は^{30 を}をビームします。これらの利点のためグラフェン液細胞の電子顕微鏡研究者の大きい数はこの手法が彼らの研究および適用する方法を助けることができるかどうかよりよく理解したらナノサイエンスコミュニティで標準的な技術になる可能性があります。この方法では。

化学、ナノ材料、生物学、その場で変換の空間分解能を望み他のフィールドの研究者は、グラフェン液体セル電子顕微鏡技術を用いたから寄与できます。このその場でメソッドは、変換中に可視化を必要とする非平衡プロセスの特に貴重なものです。液体セル電子顕微鏡技術の 1 つの重要な欠点は、望ましくない繊細なサンプルに変更が生じ、摂動論的電子ビーム³¹による放射線分解種の世代です。研究者はビーム駆動化学³¹^,³², を定量化するモデルを開発した、戦略は、これら効果³⁰^,³²を軽減するために開発されています。グラフェン液体セル TEM は、壊れやすいとするために、新しい技術への研究者のために特に困難であることの追加の課題を持っています。この記事の目的はグラフェン液体セル電子顕微鏡の実験の詳細を共有することができます実施される (図 1)、ナノ結晶の単一粒子エッチングを観察実験例を使用して、うまくいけばそのグラフェン液セルを表示実験、電子顕微鏡にアクセスできるほぼすべてのグループ。プロトコルは、グリッド、液晶セルの形成、TEM 用グラフェン液細胞実験、および画像解析手法をエッチングのグラフェンコーティングをカバーします。液滴のサイズなど液体の細胞で重要な手順をカプセル化、液体の解決内容を慎重に検討し繰り返しの落とし穴を回避する方法についての追加のアドバイスでカバーされる直接転送グラフェンのみの使用前の研究者。グラフェン液体セル TEM はナノスケールの研究、新たな技法とこの記事にこのテクニックを利用開始するための新規参入ができるようになります。

Protocol

1. グラフェンコーティング TEM グリッド

カット、約 2 cm²ピース既成グラフェン上銅約 6 に 8 TEM グリッドに適合 (材料の表を参照してください)。
注: 使用する 3 - 5 層単層グラフェンの代わりにグラフェンは、解像度を失うことがなく成功率の高い液体ポケットをカプセル化します。グラフェンは原子スケール薄、低 Z 材料なのでほとんど解像度の損失は、グラフェン液体セルの液膜厚さからです。
アセトン洗浄 (図 2 a) を使用してグラフェンをクリーンアップします。
注: この手順は、成膜プロセス中にグラフェン面上左任意の残留 PMMA [poly(methyl methacrylate)] を削除する設計されています。ユーザーは、グラフェンがクリーンであること確信している場合、この手順は必要ではありません。
1. ガラスシャーレとアセトンで塗りつぶしにグラフェンに銅片を配置します。
  メモ: アセトンは PMMA をアセトンに溶解するために使用されます。
2. 優しくソリューションを定期的に旋回、5 分間 (~ 50 ° C) アセトン溶液を加熱します。
  注: アセトンや火災を避けるための温度を見ることを確認します。これは、ドラフトで行ってください。
3. アセトン洗浄からピンセットでグラフェンの銅の部分を削除し、新しい、きれいなアセトンアセトンに置き換えます。
  注: をこすりまたはそれ以外の場合、ピンセットでグラフェン表面に損傷を与えるように気をつけてください。
4. 洗浄工程を合計 3 回繰り返します。
5. 次のステップにしましょう、グラフェン-上-銅徹底的に行く前に風乾。
(図 2 b) 巨視的しわを取り除くためにグラフェン上銅作品を滑らかな。
メモ: このスムージング処理は (材料の表を参照してください) 穿孔サポート箔 TEM グリッドのグラフェン表面に正しく結合することができますように実行されます。バンプと銅のグラフェンのしわは、良好な接触を維持することは困難です。
1. 2 つのきれいなガラススライドを取り出して、折り畳まれたワイプ (材料表参照) スライドガラス下部に。ワイプの上にグラフェンに銅片を配置します。最後に、上に 2 番目のガラススライドを配置します。
  注: 組織のワイプから傷を防ぐためグラフェンサイドアップ (触れるガラススライド) グラフェンの銅部分を配置します。折り畳まれた組織は、徐々にしわをプッシュし、新しい折り目の折りたたみを防ぐために使用されます。
2. 一番上のスライドは、グラフェンの銅の部分のしわを伸ばし徐々に平滑化を押し下げます。組織内のフォールドの数を減らすし、プレス工程を繰り返します。どんな拭くこと組織で 2 つのガラススライド間最終的なキーを押すまでプロセスを続行します。
グラフェンの銅部分 (図 2) を TEM グリッドダウン横たわっていた。
1. ホーリーファイバーの非晶質炭素の場所は、グラフェンと接触して非晶質炭素とグラフェンのダウン箔 TEM グリッド (材料の表を参照) をサポートします。
  注: を曲げたり TEM グリッドを変形させるときに、ピンセットでそれらを拾い注意ください。グラフェンに曲がって TEM グリッドが正しくバインドしません。グリッドの端によってグリッドを拾い、グリッドの変形を防止します。ここでは、ゴールドの TEM グリッド、グラフェンの銅から銅を除去する手順中にグリッドをエッチングを避けるために使用されます。
2. イソプロパノールの数滴をグリッドに配置します。
  注: 場合任意のグリッドになって重なり合い、ゆっくり移動するピンセットの先端でグリッドにイソプロパノールを置いた後。グラフェン表面に損傷を与えないように注意します。
3. 2 + h を確認して格子を作るには、結合した適切に乾燥させます。この乾燥プロセスは、グラフェンによってよりよい接触にホーリーファイバーの非晶質炭素をもたらします。
  注: グリッドがグラフェンを遵守しているかどうかをチェックするには、グラフェンの銅の部分をピックアップし、逆さに向けること優しく。重力では、グリッドは削除されません、する場合は、彼らを正しく結合する必要があります。
ナトリウムの過硫酸塩溶液 (図 2 D) を使用して銅をエッチングします。
1. 10 mL の脱イオン水に 1 g の過硫酸ナトリウムを使用してソリューションを作る。
2. ピンセットを使用して、慎重に置く銅側とナトリウムの過硫酸塩溶液の銅上のグラフェン作品。ナトリウムの過硫酸塩溶液 (図 2 D) 上に作品のフロートをしましょう。
3. 座って一晩グラフェンコーティンググリッドのソリューションを保持します。ソリューションは、銅をエッチング、エッチングが終了する (図 2 e)、グラフェンシートの背後に見える銅されませんと青色になります注意してください。
過硫酸ナトリウムをきれいにグリッドを洗います。
1. 浮動小数点グリッドをソリューションから削除し、配置の上にきれいな、脱イオン水 (フィルターの材料表を参照してください) 第 2 シャーレ。
  注: グリッドを転送する最も簡単な方法は、スライドガラスを使用して、グリッドを拾うし、水で満たされた 2 番目のシャーレの下それらを置きます。いくつかのグリッドは、転送処理中に、シャーレの底に落ちるでしょう。これは通常、グリッド上のグラフェンはひびまたはそれ以外の場合破損しているサインです。
2. グラフェン塗布グリッドからすべてのナトリウム過硫酸残基を削除する 3 回のこのプロセスを繰り返します。
3. ピンセットでグリッドをピックアップ、フィルターペーパーの上グリッドグラフェン側に置き、乾燥させます。
  グリッドは、多くの場合残留水から毛管力によるピンセットに固執としてメモ:、水洗浄のこの最終的な転送は難しい、できます。

2 ポケット液体セルを作る

2 グラフェンコーティング TEM グリッドを取り、スライドガラス上にグラフェン側配置。グラフェン塗布 TEM グリッド、約 1/4、1/8 のグリッド (図 3 a) の領域の 1 つの端を切断小型手術用メス刃を使用して。
注: フォームポケットにグラフェングラフェンとの相互運用を提供するためにより近い接触に 2 つのグリッドにグラフェンをもたらすと仮定、グリッドの 1 つを切断します。
カプセル化するソリューションを準備します。
注: ソリューションは、ナノ結晶の実験をエッチングに固有です。
1. 10 〜 100 ミリメートルの間の濃度でトリス塩酸緩衝を脱イオン水を作る。
  注: 我々は、水溶液中の金属ナノ粒子のソリューションを準備するため Tris バッファーは HCl は安定ポケットの高い成功率につながるより多くの研究は、なぜ Tris バッファー HCl を理解する必要が作ることができます安定ポケットを発見しました。Tris バッファーベースまたはこの場合ポケット形成の非常に低い成功率を持っているように見える両方 Tris バッファーがありませんを使用します。すべての溶剤とサンプルの可能性が高い最適化検討されている化学を中断しないしながらポケットに安定を作成する条件を見つけることが必要になります。文献の簡単な調査によるとオルト-ジクロロベンゼン/オレイルアミン (9:1 の比率)、トリス緩衝 HCl 水溶液と同様、トリス-ホウ酸塩-EDTA (TBE) と 200 mM の NaCl 水溶液、³³と水性 0.15 M 塩化ナトリウムソリューション³⁰ x²³ 0.5 で成功ここで紹介するシステムです。
2. HCl ml あたり 1.8 μ L の脱イオン水の溶液で 40 mM した FeCl₃ソリューションを行います。
  注: した FeCl₃はこのエッチング実験用エッチング液です。他の実験は、実験に応じてさまざまなソリューションを追加します。
3. 金ナノロッドを行い¹^,³⁴を洗浄後ナノロッドサンプルを集中します。
4. 0.01 0.1 0.15 mL を混ぜて mM Tris バッファー HCl、塩酸、40 mm した FeCl₃ 0.1 mL とナノロッドの 10 μ L。
~0.5 μ L 液滴非カットグラフェンコーティング TEM グリッドにカプセル化するソリューションを配置します。ピンセットを使用して、TEM グリッドの端を押しながら毛管力が TEM グリッド (図 3 b) を持ち上げないで液滴を配置します。
注: は、液滴をできるだけ小さく、できるだけグリッドの中心部に近い場所としてそれに注意します。
迅速かつ慎重に配置; 液滴の上に角をカットグラフェンコーティング TEM グリッド目標は、(図 3) を絞った得ているない液体で最初のグリッド上に残りの部分に来て 2 番目のグリッドを持っていることです。
注: は、迅速かつ簡単にこのプロセスを作成できます自己終了ピンセットで配置されて 2 番目のグリッドを持っています。これは間違いなく発生することが多くの潜在的な障害を持つ液晶セルの形成過程の最も難しいステップです。ピンセット 2 つのグリッドの間にはまり込むことができますピンセットを除去しながらトップグリッドの設定課題です。一般的には、下のトップの TEM グリッドの 1 つの端を置くと、徐々にグリッドの手放すに最適です。注、液体ガラススライドに表示されている場合、ポケットおそらくでしたはシールしません正しく。
グラフェン液体電池ポケットフォームをできるようにする 5 分を待ちます。
注: ポケットを形成している, が、追加の液体の損失は考えられませんハーメチックシールを形成すると、一度、液体のいくつかの蒸発する場合があります。ソリューションでそれぞれの種の相対的な濃度を一定に保たする必要があります。
イメージングのサンプルを TEM にもたらします。
注: シールの時間数は、研究者から研究者をによって異なります。エッチング実験、TEM に液体セルを持ち込む前に以下の時間は前のエッチングを避けるが望ましいです。

3. 読み込みとグラフェン液細胞のイメージング

注: 透過型電子顕微鏡の操作の手順を標準的なユーザーマニュアルします。すべての TEM でお越しの際にも別の配置手順。

伝統的な TEM 単一グラフェン液体セルの場所に傾斜ホルダー (図 4)。
メモ: ダブルなど他の標準ホルダー傾斜ホルダー、ホルダーを暖房としても使用できます。ネジのようなメカニズムを使用して保護 TEM グリッドホルダーは、グラフェン液セルを破壊するせん断力を課すかもしれません。
TEM ホルダーを TEM 列に読み込みます。
注: グラフェン液体電池ない貯水池と液体の少量が含まれています、別々のポケットを持っているので、厳密なシリコン窒化液体細胞実験のような漏れをチェックする必要はありません。グラフェン液体電池ポケットがバースト、たとえ液量が非常に小さいが解放され、こうして TEM の真空システムをクラッシュしないでしょう。
サンプルではナノ粒子と非晶質炭素を使用して、正しく TEM ビーム (銃の傾き、コンデンサー絞り配置およびコンデンサー stigmation) を合わせ、(Z 高さ調整、客観的 stigmation 回転中央揃え、収差を画像該当する場合のチューニング補正)。ビーム光路から所有者を削除し、電子ビームの線量率を調整します。
1. 再現可能な線量率; の安定させるためにそれを許可する前に、少なくとも 20 分を TEM フィラメントをオンにこの待機時間は、TEM システムと電子銃の種類によって異なる場合があります。
  注: 選挙と頻繁 (e^-/Å²s) 単位時間、単位面積あたりに配信される電子の数を参照する線量率を使用します。放射線化学コミュニティでこの磁束密度と呼ばれます、線量率、単位時間単位面積当たりに吸収されるエネルギー量をいいます。液体セルは、複雑なジオメトリのサンプルによって吸収されるエネルギーの量はむずかしい計算以来と TEM コミュニティとの一貫性を維持するために我々は線量率を使用して、単位時間、単位面積あたりの電子を参照を選択します。
2. 表示画面 (図 5 a) を用いた実験のために必要な最も凝縮量、最高の線量率にビームを凝縮します。レンズ集光ビームの現在保存してお読みください。
  メモ: 手順については、3.3.2 に 3.3.5、カスタムデジタル顕微鏡写真スクリプト書かれていた配信電子線量率と現在 2 番目のコンデンサー (C2) のレンズを調整する TEM コンデンサー系の制御がかかります。これにより再現性をもって電子線量率を実験中に任意の値に設定する研究者です。
3. ほとんどの広がりの量は、最低の線量率表示画面 (図 5 b) を用いた実験に必要なビームを拡散します。拡散ビームの現在のレンズを付けてをお読みください。
4. コンデンサーレンズ電流の範囲を等間隔の値が 10 個に分割し、CCD カメラでコンデンサーレンズ値ごとに画像を収集します。
5. 線量率それぞれのレンズを現在の CCD の感度と倍率校正を使用する CCD カウントに変換します。
6. 別のレンズ電流で電子フラックスのデータを使用すると、較正曲線を作成します。実験の残りのこの検量線を使用して、必要なフラックスを電子ビームを制御します。
7. ビーム光路にサンプルを再挿入します。
低線量率 (通常は約 20 e^-/Å²s) を維持しながら液体ポケット中のナノ粒子の検索を開始します。
注: 低線量率を維持するナノ粒子を捜している間エッチングからナノ粒子を防ぎます。
ナノ粒子が液体ポケットに見つかったら、低線量率を維持しながらナノ粒子に焦点を微調整します。
注: ナノ粒子は液体のポケットにするかどうかを決定する、トリッキーなことができますが、気泡の存在または粒子の動きはしばしば安定の液体ポケットの良い兆候。時に、液体ではなくポケットのように非常に密なゲル泡の非常にゆっくりと移動します。このような状況は、封印されていないポケットやグラフェンの亀裂による潜在的液体の蒸発によって引き起こされます。急速に移動し、形状を変更する泡でない運動と液体環境が付いているゲルの区別は簡単です。良い液体電池ポケットの形成の間にいくつかの蒸発かもしれませんが反応物質の相対濃度が一定です。
検量線集光レンズを必要な線量率 (図 5) を現在に設定する (この手順 3.3 を参照) を使用します。
注: 現在のコンデンサーレンズと画像集録パラメーターを設定に使用される社内スクリプト
線量率と時間スタンプ画像ファイルに埋め込まれたメタデータを持つ TEM 像の時系列を収集を開始します。
粒子が終わったらエッチング、ビームを拡散して液体のポケットに他のナノ粒子を探し始めます。
動画をエッチングナノ粒子の十分な量を収集すると、電子顕微鏡 TEM の標準の手順を次から TEM ホルダーを取り外します。TEM ホルダーからグラフェンの液体電池を取る。
注: 典型的な撮像セッションは、約 30 の動画撮影で約 2-3 時間を持続します。使用可能なデータと動画数はポケットの品質とエッチング実験の種類に依存します。

4. 画像解析の計算ソフトウェアを使用して電子顕微鏡動画

注: TEM 動画は 3次元形状の 2次元投影なので慎重な画像解析をエッチング速度の抽出や形状の変更を行う必要があります。

ネイティブの DM3 avi ビデオファイル ImageJ を使用して書式設定し、計算ソフトウェアに avi 動画をインポートに変換 (材料の表を参照してください)。
ビデオの各フレームの各ナノロッドを分析します。
1. しきい値画像 (図 7 a) によって、ナノロッドの概要を決定します。
  注: 金属のナノ粒子の高コントラスト画像解析容易になります。低いコントラストを持つシステムを勉強して、しきい値の前に追加のフィルターが必要ことがあります。
2. ナノロッドアウトラインから最も近いフィット楕円 (図 7 b) のメジャーとマイナーの軸を決定します。
  注: メジャーとマイナーの軸を決定する組み込みイメージ解析ソフトウェアでは、形状は楕円を前提としています。ナノロッド、楕円ではありませんこれらの値は、ナノ粒子のサイズする場合使用ないすべき。
3. 2 つの半分 (図 7) にナノロッドのアウトラインをカットするのに主要な軸を使用します。
4. 各これらの半分、体積とその概要の主要な軸線のまわりの回転に包まれた図形の面積を決定します。
  注意: この計算方法はリングの方法としてに呼ばれるあります。この分析方法は、ナノロッドが主要な軸対称な場合のみ動作します。ナノロッド、本当に回転いくつかの安心を提供しますボリュームと表面積を比較する 2 つの半分を有する対称。
ボリュームとビデオの各フレームのナノロッドの表面積を解凍、コンパイル、データを解釈します。
注意: このアウトラインメソッドは定義された図形とナノ結晶の面の分析ができます。

Representative Results

電子ビームの線量率は 800 の下でエッチングナノロッドの代表的なビデオからフレーム e^-/Å²s は図 6に示します。ソリューションに必要な約 20 のビーム照明、ナノロッド酸化エッチングを工事が始まる前に。ナノロッドのエッチング開始後の原子の除去率のまま、ナノロッドも一定の縦横比を維持しながら安定しました。通常、ナノロッドにはこのサイズ²⁴のナノ粒子を用いた液晶セル TEM の前の仕事と一致しているビデオの中に重要な動きはありません。ナノ粒子はあまり移動しない、ために、ナノ粒子が液体ポケットかどうかを判断する最良の方法はバブルの生成とバブルの移動です。ナノロッドが小さくなり、回転、ナノロッドを開始、液体環境、ナノロッド確認する、焦点面の移動するには。

グラフェン液体セルの最も一般的なエラーは、液体の安定ポケットをカプセル化することができないことです。時々これは気泡なしとはナノ粒子の動きまたはサイズ変更によって特徴づけられるポケットを完全に乾燥につながることができます。また、ポケットはそもそも液体と泡が後で乾いてからでないとナノ粒子を完全にエッチングです。通常良い液体セル各ポケットはエッチングの線量率で約 2-3 分の安定した、大きいナノ粒子や遅いエッチングプロセスの問題になりますポケット乾燥のみ。時に、液体はポケットから蒸発し、非常に高い塩濃度のゲルのようなソリューションの背後にあるを残してできます。これらのゲルは、通常容易に明白なソリューションの高コントラストによるイメージングと気泡および粒子の動きが非常に遅い。これらのゲルのようなソリューションで収集されたデータは信頼できません。

液体セル TEM データを収集した後、ナノ粒子エッチングとビデオが分析されます。ボリューム、サーフェス領域、およびファセット (該当する場合) の抽出を行い (図 7) を評価します。乾燥ポケットの 1 つの徴候は実質的なポケットの安定性およびデータの信頼性をチェックする効果的な方法時間と量をプロットすることができますので、時間をかけてエッチング速度の減速します。他の最適な結果は、不均質ポケット内容の非対称エッチング直説法と鉄水酸化鉄塩化物エッチング液種の望ましくない析出に含まれます。全体的にみて、成功したグラフェン液体セルの最も重要なキーは、複数のナノ粒子と液体のポケット上再現可能なナノ力学につながる安定した液体環境です。

図 1.グラフェン液体セル電子顕微鏡法の模式図。(A)グラフェン液セルを組み立て、ソリューションの液滴はグラフェン被覆ホーリーファイバー炭素 TEM グリッド上に配置します。2 番目のグラフェンコーティンググリッドは、ポケットを形成する液滴の上に配置されます。この画像は、規模および液体の液滴に約 33% も大きいです。金ナノロッドの TEM イメージ投射の間液体ポケットのズームで概略を(B)に。この漫画もないスケーリングです。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2.グラフェンを作るためのプロセスは、TEM グリッドをコーティングした (A)銅のグラフェンを洗浄ピースグラフェンの銅 2 つのガラススライドを分割・統合して削除する巨視的しわを暖かいアセトン(B) 。組織は、新しいしわで折らないようにグラフェンの銅部分の下に配置されます。(C)は、グラフェンに触れる TEM グリッドの非晶質炭素側とグラフェンの銅ホーリーファイバーアモルファスカーボン TEM グリッドを配置します。ナトリウム過硫酸エッチング液に浮かぶ銅/グラフェン/TEM グリッドの(D) 。これにより、銅がグリッドから削除します。(E)グラフェンは、銅をエッチング後の TEM グリッドをコーティングしました。ソリューションは青とグラフェンコーティングのグリッド上に銅左はありません。サイズの参考のためガラスシャーレの直径は約 6 cm とスライドガラスは 7.5 cm 2.5 cm でこの図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。。

図 3.液体セル (A) グラフェンを作るためのプロセスエッジでスライドガラス上に作製した 2 つのグラフェンコーティング TEM グリッドがそれらの 1 つを遮断。グリッドを切るに使った手術のメスが、上の画像の右。(B)グラフェンのソリューションをカプセル化する液滴は、グリッドをコーティングしました。最上位のグリッドに液滴は右のサイズ、グラフェンの素敵なビーズをしました。下のグリッドの液滴が、グラフェンにおける亀裂のため、グラフェンを血を流した。(C)グラフェンコーティングの 2 つ目のグリッドソリューションの液滴と最初のグリッド上に配置されます。このグラフェン液体セルは、TEM にロードする準備ができました。サイズ参考スライドガラスは 7.5 cm 2.5 cm によってこの図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。。

図 4.標準的な単一の傾斜 TEM ホルダーにグラフェン液セルを読み込みます。グラフェン液体セルは通常の TEM グリッドに収まるホルダーと同じ方法で標準的な単一の傾斜 TEM ホルダーに収まります。サイズの参考のため TEM グリッドには、直径の 3 mmこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5.TEM ビーム制御。 (A)練乳ビーム線量率校正蛍光スクリーンを使用して表示します。(B)線量率校正用拡張電子ビームは蛍光スクリーンを使用してを表示しました。時間当たりの面積あたりの電子減少、なぜ電子ビームは非常にかすかな強度が減少します。(C)検量線電子ビームの線量率を現在のコンデンサーレンズに関する。この検量線は、画像中のビームの線量率の制御に使用されます。(D)グラフェン液体セル中のナノ粒子の TEM の動画を収集するときに、パラメーターが使用されます。イメージされている材料によって特定の値が各パラメーターに使用が変更と解像度があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 6.金ナノロッドのグラフェンの液体電池ポケットにエッチングします。800 の線量率の下でエッチング金ナノロッドの代表的な電子顕微鏡ビデオのフレームの e^-/Å²s。ないのエッチングの最初の期間の後、ナノロッドを一定の割合でエッチングします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 7.ビデオのフレームを分析するためのメソッド(A)画像解析ソフトでしきい値を使用してナノロッドのアウトライン。(材料の表を参照)これは背景からナノ粒子を分離し、定量分析のための図形を提供します。(B)は、ナノロッド主軸と副軸を決定します。(C)抽出各 2 D アウトラインの半分は長軸に沿ってカット。これらのアウトラインを使用して、x 軸の周囲にアウトラインを回転させることにより 3次元形状を再構成します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Discussion

グラフェン液体セル電子顕微鏡によるナノ結晶成長機構情報を提供し、エッチングの高空間分解ですが困難で、繊細なことができる液体セルグラフェンを作るので、テクニックに細部への注意が必要です。使用可能なデータを抽出します。正常に作られた液体セルの四分の一に半分についてだけの液体セルのグラフェンを作る豊富な練習後も、液をカプセル化します。液体セルを形成する際に重要なステップは、液体の液滴の上に 2 つ目のグリッドを置いています。ドロップも遠くオフ中心と大きすぎる液滴で始まる 2 番目のグリッド、2 つのグリッドの間に立ち往生ピンセットを得る一般的なエラーがあります。グラフェン液細胞のアセンブリは繊細な細かい運動能力を必要とするので、液体のポケットを正常にすることを勧め通常かかります。TEM グリッドのグラフェン塗布の費用のため、新しいグラフェン液セルユーザー最初の練習はお金を節約する伝統的な銅、非晶質炭素 TEM グリッドのプロセスを作る液体セルを強くお勧めします。

各ステップの最後に、サンプル画像まで成功しているし、グラフェンを掻くようなものの間違いは見過ごされている行くことができる場合に研究者が知ることができないために、液体セルのエラーの原因の特定は難しいがあります。グラフェン液細胞外液ダレを研究者がすぐに表示されますので、識別するために最も簡単なエラーは不適切なアセンブリです。グラフェンの割れのような銅のグリッドにグラフェンを作る際の問題は、正確に厳しいことができます。ラマン分光法を用いた TEM グリッドをコーティング、その前後に、グラフェンの品質をチェックできますが、グラフェン通常は使用できませんこのをテストした後。また、一緒に置かれてグラフェンの 2 つの面が正しくファンデルワールス力によってシールを形成するきれいになる必要があるので、直接転送グラフェンを使用することが重要です。高分子転送方法によってグラフェンコーティンググリッドを作るポリマー残渣に一緒に結合されるグラフェンの側になります。正しい TEM グリッドを使用して正しい手順に従っている場合グラフェン液体セルの成功の欠乏は通常アセンブリと製作中のグラフェンとグリッドのミスのため。

グラフェン液体セル TEM くらい薄くカプセル化材料することができますを使用して、既存の液晶セル電子顕微鏡技術の進歩は、高解像度とファセットの軌道追跡実験も容易を行う任意の伝統的な TEM ホルダーで使用されます。商業シリコン窒化膜の液体セルの解像度は、多くのファセットとグラフェンの液晶セルにおけるナノ結晶をエッチングによって達成することができます運動の情報は失われてでしょう。既存シングルの TEM の液体セルの実験を行うもできますグラフェン傾斜 TEM ホルダー高価な新しい特殊なホルダーの必要性を否定します。さらに、グラフェン液体電池は液体細胞実験で実行することを可能にする標準 TEM グリッド試料ホルダー (暖房、二重傾斜、冷却、低温、カソードルミネッセンス) を高度なを受け入れる任意のホルダーに置くことができるシリコン窒化液細胞は設計されていなかった。また、グラフェン液体セルはポケット破裂他液体セル電子顕微鏡技術のような場合、TEM 列の真空をクラッシュのリスクをもたらすか。グラフェン液体セルはまだナノ分野におけるユビキタス技術ではなく、その使いやすさと空間分解能になるはるかに広く、将来的に使用されます。

グラフェン液体セル電子顕微鏡では、その多くの利点があっても実行することができます実験の種類に制限があります。ポケット形成、電子ビーム効果を考慮しなくても、解決の種の濃度を正確に判断することは困難ですので、いくつかの液体が蒸発します。また、グラフェン液体セルでシリコン窒化フロー電池より多くの定量化可能な前梁濃度と大規模な均一な液体層の利点があるのでランダムなサイズ、高さ、および小さなポケットの分布があります。この作品で解説した、化学反応を誘発する他のソリューションでフローすることが可能だ、TEM のグラフェン液セルを使用してのみプリロードされたサンプルを表示できます。液体のソリューションと電子ビームの相互作用によって生成された放射線分解種が唯一のトリガー反応を開始するために使用することができます。まだ実証していませんが熱開始プロセス標準加熱ホルダーを用いたグラフェン液体細胞で引き起こされます。電子ビーム誘起放射線分解効果がまだ完全に理解し、制御すること困難にすることができます。研究者は、ビーム相互作用³¹^,³²後、ポケット液晶セルの内容を決定するモデルを開発したが、その精度、モデルおよび任意の未知濃度の反応の数によって制限されます。乾燥による変化。した FeCl₃、Tris バッファーもグラフェン³⁰など多くの反応種と複雑な初期ポケット内容をキネティックモデルを使用して理解することは困難にすることができます。液体セル電子顕微鏡の別の欠点はダイナミックなプロセス中に形成される結晶の組成を特徴付けることは困難であります。たとえば、多成分系における成長実験で可能性があります不可能何フェーズまたは種成長している新しいナノ結晶、非晶質またはゾーンの軸ではなく場合を区別するために。これは知られているゾーンの軸の上に座って知られている組成の前もって形成されたナノ結晶のエッチングが望ましい別の理由です。最後に、まだいくつかの引数は、グラフェン液晶セルにおけるビーム誘起反応フラスコにex situ反応の条件を表さないことがあります。

将来グラフェン液細胞実験へとさらに進化も新しい TEM を使用している間、これらの懸念のいくつかを軽減するのに役立ちますプローブナノ結晶の基になる謎。ナノ結晶合成相関元場とエッチング実験は、TEM の液体セルの実験に見られるメカニズムを補強で重要になります。また、研究者は、グラフェン液体セル TEM³⁵にフロー機能を追加する作業を始めている、グラフェンの配列を含むより多くの制御されたポケット³⁶を作る液体セルを用いた準備穴³⁷。電子顕微鏡の解像度とカメラの速度の進歩にグラフェン液細胞ナノ結晶変換の際に原子ダイナミクスを研究することがさらになります。電子顕微鏡用グラフェンのような原子スケール薄素材で液体の小さなポケットをラップし、多数の潜在的なアプリケーションには、ナノサイエンス研究の定番と、将来的になることでしょう。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

仕事は、米国エネルギー省、科学局、オフィスの基本的なエネルギー科学、物質科学およびエンジニアリング部門、契約番号の下に支えられデ-AC02-05-CH11231 物理化学無機ナノ構造プログラム (KC3103) の内で。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-propanol (Isopropanol)	Sigma Aldrich	190764-4L
Acetone	Fisher Chemical	A949-4 HPLC Grade
FeCl3	Sigma Aldrich	44944-250g
Gold Quantifoil, Amorphous Carbon TEM Grids	SPI Supplies	4230G-XA	300 Mesh Gold, R1.2/1.3- Often extensively on back-order
Graphene	ACS Materials	GnVCu3~5L-4x2in	We special order this to get graphene only on one side. The double sided product number is CVCU3022. Usually, we use 3-5 layer graphene for making Graphene Liquid Cells. If researchers need single layer graphene for their liquid cells, we have been using Grolltex recently
Hot Plate	IKA	C-MAG HS 7 Digital
Hydrochlorid Acid	Fisher Chemical	7647-01-0
Kimwipe Tissues	Kimberly-Clark	34120
Matlab	Mathworks
Millipore Water Filter	Millipore	F4NA85846D
Sodium Persulfate	Sigma Aldrich	71890-500g
Surgical Scalpel Blade	Swann-Morton	No. 6
TEM	FEI	Tecnai T20 S-Twin	TEM needs to be linked to camera acquisition software to allow for dose rate calibration procedures.
TEM Cameara for in situ data collection	Gatan	Orius SC200	Custom digital micrograph scripts (written in house) for calibrating the C2 lens value to dose rate and collect in situ datasets
TEM Single Tilt Sample Holder	FEI
Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride (Tris Buffer HCl)	Fisher Biotech	1185-53-1
Tweezers	Excelta	7-SA