Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Bruk av Graphene væske celle overføring elektronmikroskop in Situ Nanocrystal etsning

Published: May 17, 2018 doi: 10.3791/57665
Automatic Translation
1, 1, 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

Grafén flytende celle elektronmikroskop kan brukes til å observere nanocrystal dynamikk i et flytende miljø med større romlig oppløsning enn andre flytende celle elektronmikroskop teknikker. Etsing forhåndslagde nanokrystaller og etter sin form med Grafén flytende cellen overføring elektronmikroskop kan gi viktig mekanistisk informasjon om hydrogenion transformasjoner.

Abstract

Grafén flytende celle elektronmikroskop gir muligheten til å observere nanoskala kjemiske transformasjoner og dynamikk som reaksjonene er forekommende i flytende miljøer. Dette manuskriptet beskriver prosessen for å gjøre Grafén flytende celler gjennom eksempel på Grafén flytende celle overføring elektronmikroskop (TEM) eksperimenter av gull nanocrystal etsning. Protokollen for å gjøre Grafén flytende celler innebærer belegg gull, holey-karbon TEM rutenett med kjemiske damp deponering Grafén og deretter bruke disse Grafén-belagt rutenett for å kapsle væske mellom to Grafén flater. Disse lommene til væsken, med nanomaterial av interesse, er avbildet i elektronmikroskop se dynamikken i nanoskala prosessen, i dette tilfellet oksidativt etsning av gull nanorods. Ved å kontrollere elektron strålen dose ofte, som modulerer etsing arter i flytende cellen, kan de underliggende mekanismene hvordan atomer er fjernet fra nanokrystaller til forskjellige fasetter og figurer bli bedre forstått. Grafén flytende celle TEM har fordelene av høy romlig oppløsning, kompatibilitet med tradisjonelle TEM innehavere, og lave oppstartskostnader for forskning holdene. Gjeldende begrensninger omfatter delikat utvalg forberedelse, mangel på flyt kapasitet og avhengighet av elektron strålen generert radiolysis produkter å indusere reaksjoner. Med videreutvikling og kontroll, Grafén flytende cellen kan bli en allestedsnærværende teknikk i nanomaterialer og biologi, og er allerede brukt for å studere mekanismer for vekst, etsning og selvtillit forsamlingen prosesser av nanomaterialer i væske på den enkelt partikkel-nivå.

Introduction

Controllably syntetisere nanokrystaller1 og montering nanopartikler i større strukturer2,3 krever en forståelse av de grunnleggende mekanismene som styrer hvordan atomer og nanopartikler samhandle og binde sammen. Ideelt sett studier av prosessene nanoskala ville bli utført i deres eget flytende miljø med tilsvarende romlig oppløsning nødvendig å observere fenomenet av interesse, men disse kravene utgjør utfordringer på grunn av nanometer lengden skala der disse systemer opererer. Forskere har lenge ønsket å bruke romlig oppløsning elektronmikroskop for å image prosessene, men høy vakuum kolonnen elektronmikroskop krever innkapsling av flytende løsning4. Noen tidlige flytende celle elektronmikroskop eksperimenter innkapslet væske mellom to silicon nitride membraner5,6,7,8, og denne metoden har nå blitt en kommersielt tilgjengelig teknikk for å studere dynamisk nanoskala prosesser.

Kommersielt tilgjengelige silicon nitride flytende celle TEM innehavere har gitt den nødvendige oppløsningen å se og forstå en rekke interessante fenomener på nanoskala9,10,11,12 , 13 , 14 , 15 , 16. noen kommersielle flytende celle TEM innehavere har flere funksjoner som for eksempel oppvarming, strøm, og elektriske forbindelser som ytterligere utvide riket av nanoskala prosesser som kan undersøkes. Men med alle disse funksjonene, er de kommersielle systemene ikke optimalisert rundt å oppnå den høyeste romlig oppløsningen. For forskere trenger forbedret romlig oppløsning, er reduserer vinduet tykkelsen og redusere flytende tykkelsen to mulige ruter til mindre elektron strålen spredning og bedre oppløsning17. Noen grupper som bruker silicon nitride flytende cellene dikte egne vinduer som gir større kontroll over vinduet og flytende tykkelser. 18 redusert spredning av disse hjemmelagde flytende cellene har aktivert elektronmikroskop studier med større romlig oppløsning inkludert atomic oppløsning studier19,20,21.

Siden tykkelsen på encapsulating materialet er ett aspekt som negativt påvirker romlig oppløsning av flytende celle eksperimenter, atomically tynn, lav-Z materialer som Grafén ville være ideelt innkapsle materialer22, 23. Grafén ark er fortsatt sterk nok til å beskytte flytende lommene fra press forskjellen i kolonnen. I tillegg inneholder disse Grafén flytende celle lommer vanligvis tynnere lag med væske, for å ytterligere forbedre oppnåelig romlig oppløsning. Mange interessante nanoskala prosesser har blitt undersøkt med Grafén flytende cellene studier etter hydrogenion fasett trajectories og hydrogenion dynamics med Atom oppløsning23,24,25 ,26,27. En utilsiktet fordel av Grafén flytende cellen teknikk er at denne høy romlig oppløsning kan oppnås uten kjøp av en annen TEM holderen eller spesialiserte silisium fabrikasjon. Eksperimenter ved hjelp av silicon nitride celler som oppnådde høy oppløsning også kreves store nanopartikler består av tunge atomer, mens oppløsning ved Grafén flytende cellen kan gi Atom løsning for sub-2 nm nanopartikler25. I tillegg har Grafén flytende cellen åpnet muligheter for å studere biologiske prøver med elektronmikroskop Grafén innkapsling28,29 fleksibel natur og muligheten for Grafén å redusere noen av de skadelige virkningene av elektronet stråle30. På grunn av disse fordelene har Grafén flytende celle elektronmikroskop potensial til å bli en standard metode i nanovitenskap samfunnet når større antall forskere forstå bedre om denne teknikk kanne hjelpe sin forskning og hvordan du bruker Denne teknikken.

Forskere i kjemiske, nanomaterial, biologiske og andre felt ønsker romlig oppløsning på i situ transformasjoner nytte av ansette Grafén flytende cellen elektronmikroskop teknikk. Denne i situ metoden er spesielt verdifull for ikke-likevekt prosesser som krever visualisering under transformasjon. En betydelig ulempe av flytende celle TEM teknikker er generasjon av radiolysis arter som den perturbative elektron strålen31, som kan føre til uønskede endringer i delikate prøver. Forskere har utviklet modeller for å prøve å tallfeste bjelke-drevet kjemi31,32, og strategier er utviklet for å redusere disse effektene30,32. Grafén flytende celle TEM har ekstra utfordringen med skjøre og ofte vanskelig å gjøre, spesielt for forskere nye med teknikken. Målet med denne artikkelen er å dele detaljer om hvordan Grafén flytende celle TEM eksperimenter kan utføres (figur 1), gjennom et eksempel eksperimentere observere enkelt partikkel etsing av nanokrystaller, og forhåpentligvis vise Grafén flytende cellen eksperimenter er mulig for nesten alle grupper med tilgang til et elektronmikroskop. Protokollen vil dekke Grafén belegg av rutenett, flytende celle formasjon, TEM bruk for Grafén flytende celle etsing eksperimenter og bildet analyseteknikker. Kritisk trinn i flytende cellene som størrelsen av slippverktøyet innkapslet, nøye vurdering av flytende løsning innholdet, og bruk av bare direkte overføring Grafén dekkes med flere råd om hvordan å unngå å gjenta fallgrubene tidligere forskere. Grafén flytende cellen TEM er en ny teknikk for nanoskala forskning, og denne artikkelen vil gjøre det mulig for nye aktører å begynne å utnytte denne teknikken.

Protocol

1. gjør Grafén-belagt TEM rutenett

  1. Klipp ut en ca 2 cm2 stykke forhåndslagde Grafén-på-kobber (se Tabell for materiale) som passer rundt 6 til 8 TEM rutenett.
    Merk: Med 3 - 5-lags omslutter Grafén i stedet for ettlags Grafén flytende lommer med høyere suksessrate uten å miste oppløsning. Siden Grafén er en atomically tynn, lav-Z materiale, er de fleste oppløsning tap fra flytende tykkelse for Grafén flytende celler.
  2. Rengjør Grafén bruker en aceton vask (figur 2A).
    Merk: Dette trinnet er utviklet for å fjerne eventuelle gjenværende PMMA [poly(methyl methacrylate)] venstre på Grafén overflaten under deponering prosessen. Hvis brukeren er trygg på at deres Grafén er ren, dette trinnet er unødvendig.
    1. Plass Grafén på kobber stykke glass bensin fat og fyll med aceton.
      Merk: Aceton brukes fordi PMMA oppløses i aceton.
    2. Forsiktig varme aceton løsningen (~ 50 ° C) for 5 min, virvlende løsningen med jevne mellomrom.
      Merk: Pass på å se aceton og temperaturen å unngå brann. Dette bør gjøres i avtrekksvifte.
    3. Fjern Grafén-på-kobber fra aceton vask med pinsett og erstatte aceton med ny, ren aceton.
      Merk: Pass på ikke å skrape eller ellers skade Grafén overflaten med pinsett.
    4. Gjenta vaskeprosessen totalt 3 ganger.
    5. La Grafén-på-kobber air-dry grundig før du går til neste trinn.
  3. Jevn ut Grafén-på-kobber stykket fjerne noen makroskopisk rynker (figur 2B).
    Merk: Denne utjevning prosessen utføres for å sikre at de perforerte støtte folier-TEM rutenettene (se Tabell for materiale) kan riktig bånd til Grafén overflaten. Støt og bretter i Grafén-på-kobber gjør det vanskelig å opprettholde god kontakt.
    1. Ta to rene glass lysbilder og plassere en foldet tørke (se Tabell for materiale) på bunnen objektglass. På toppen av tørke, plassere Grafén på kobber stykket. Endelig sett av andre objektglass på toppen.
      Merknad: Plassere Grafén på kobber stykket med Grafén side opp (rørende objektglass) å unngå riper fra vev tørke. Foldet vevet brukes gradvis presse ut rynker og hindre folding i nye bretter.
    2. Trykk ned på toppen lysbildet gradvis glatter ut noen rynker i Grafén-på-kobber stykket. Redusere antall folder i vevet gjenta trykke prosessen. Fortsette prosessen før en endelig trykke mellom to glass lysbilder med ingen vev tørke.
  4. Legge ned TEM nett på Grafén-på-kobber stykket (figur 2C).
    1. Sted holey amorfe karbon støtte folie-TEM rutenett (se Tabell for materiale) ned på Grafén med amorfe karbon i kontakt med Grafén.
      Merk: Vær forsiktig med å bøye eller deformere TEM rutenett når plukke dem opp med pinsett. Bent TEM rutenett binde ikke riktig å Grafén. Rørt rutenettet ved kanten av rutenettet hindrer deformasjon av rutenettet. Gull TEM rutenett brukes her, å unngå etsing rutenettene i trinnet som fjerner kobber fra Grafén-på-kobber.
    2. Plassere et par dråper av isopropanol på rutenettet.
      Merk: Hvis noen rutenett blitt overlappet, forsiktig flytte dem med spissen av en pinsett etter at isopropanol rutenettet. Pass på at du ikke skader Grafén overflaten.
    3. La tørr for 2 + h å gjøre at rutenett er riktig limt. Denne tørkeprosessen bringer holey amorfe karbon i bedre kontakt med Grafén.
      Merk: For å sjekke om rutenettene har overholdt Grafén, forsiktig plukke opp stykke Grafén-på-kobber og snu den opp ned. Hvis tyngdekraften ikke fjerner rutenettet, bør de være riktig limt.
  5. Etch kobber bruker en natrium persulfate løsning (figur 2D).
    1. Foreta en løsning med 1 g av natrium persulfate i 10 mL deionisert vann.
    2. Ved hjelp av pinsett, forsiktig plassere Grafén på kobber arb natrium persulfate løsningen med kobber side ned. La stykke float på natrium persulfate løsning (figur 2D).
    3. Holde løsningen med Grafén-belagt rutenett sitte over natten. Merk at løsningen blir blå som kobber etches, og det blir ingen synlige kobber bak Grafén arket når etsing er ferdig (figur 2E).
  6. Vask rutenettene å feilfri av natrium persulfate.
    1. Fjern flytende rutenettene fra løsningen og plasser dem på toppen av ren, deionisert vann (se Tabell for materiale for filteret) i en andre Petriskål.
      Merk: Den enkleste metoden å overføre rutenettene medfører benytter et glass lysbilde for å plukke opp rutenettet og deretter plassere dem ned i andre Petriskål fylt med vann. Noen rutenett vil falle til bunnen av Petriskål under overføringsprosessen. Dette er vanligvis et tegn på at Grafén på nettet er sprukket eller skadet.
    2. Gjenta denne prosessen 3 ganger for å fjerne alle natrium persulfate rester fra Grafén-belagt rutenettet.
    3. Plukke opp rutenettet med pinsett, plasser den rutenett Grafén-siden opp på filter papir og la dem tørke.
      Merk: Denne siste overføringen av vann vask kan være vanskelig, som rutenettet ofte holde seg til pinsett på grunn av kapillære krefter fra gjenværende vann.

2. gjør flytende celle lommer

  1. Ta to Grafén-belagt TEM rutenett og plassere dem Grafén side opp på et glass lysbilde. Med en liten kirurgisk skalpell blad, kuttet av kanten av en av de Grafén-belagt TEM rutenettene, ca 1/4 til 1/8 av rutenettet (figur 3A).
    Merk: Kutte en av rutenettet er hypotesen for å bringe Grafén på to rutenettene i nærkontakt å gi bedre Grafén-Grafén interaksjon til skjemaet lommer.
  2. Forberede løsningen innkapsles.
    Merk: Løsningen gjelder nanocrystal etsing eksperiment.
    1. Gjøre Tris buffer HCl løsning med deionisert vann i en konsentrasjon mellom 10-100 mM.
      Merk: Vi har funnet at for å forberede vandig metallisk hydrogenion løsninger, Tris buffer HCl fører til en høyere suksessrate stabil lommer selv om flere studier er nødvendig for å forstå hvorfor Tris buffer HCl gjør stabil lommer. Bruke Tris buffer base eller ingen Tris buffer begge synes å ha mye lavere suksessrate lomme-formasjonen i dette tilfellet. Hver løsemiddel og prøve sannsynlig krever optimalisering å finne betingelsene som oppretter stabil lommer mens ikke forstyrre kjemi blir studert. En kort undersøkelse av litteraturen viser suksess med Orto-dichlorobenzene/oleylamine (9:1 ratio),23 0.5 x Tris-borate-EDTA (TBE) og 200 mM NaCl løsning,33 og vandig 0,15 M NaCl løsning30 samt vandig Tris bufferen HCl system presenteres her.
    2. Foreta en 40 mM FeCl3 -løsning i en løsning av deionisert vann med 1,8 µL av HCl per mL vann.
      Merk: FeCl3 er etsematerialer for dette etsing eksperimentet. Andre eksperimenter kan legge til ulike løsninger avhengig av eksperimentet utføres.
    3. Gjøre gull nanorods og konsentrere nanorod prøven etter rengjøring1,34.
    4. Bland 0,15 mL 0,01-0,1 mM Tris Buffer HCl, 0.1 mL 40 mm FeCl3 i HCl og 10 µL av nanorods.
  3. Plasser ~0.5 µL dråpe løsning innkapsles i ikke-kutt Grafén-belagt TEM rutenettet. Bruk en pinsett holde kanten av TEM rutenettet nede mens plassere slippverktøyet slik at kapillære krefter ikke plukke opp TEM rutenettet (figur 3B).
    Merk: Pass på å gjøre slippverktøyet så liten som mulig og plasserer den så nær midten av rutenettet som mulig.
  4. Raskt og forsiktig plassere Grafén-belagt TEM rutenettet med kuttet hjørne på slippverktøyet; målet er å ha andre rutenettet kommet til ro over det første rutenettet med ingen væske blir presset ut (Figur 3 c).
    Merk: Har andre rutenettet allerede plassert i selvlukkende pinsett kan gjøre denne prosessen enklere. Dette er uten tvil det kinkigste trinnet av flytende celle formasjon prosessen med mange potensielle feil som kan oppstå. Angi øverst rutenettet mens du fjerner pinsett er en utfordring som pinsett kan sette seg fast i mellom de to rutenettene. Vanligvis å plassere en av kantene på topp TEM rutenettet ned og deretter gradvis slippe rutenettet fungerer best. Merk at hvis væske er sett på av objektglass, deretter lommene sannsynligvis ikke lenger riktig.
  5. Vent på 5 minutter for å la Grafén flytende celle lommer form.
    Merk: Noen fordampning av væsken kan oppstå som danner lommer, men når en hermetiske tetning er dannet, ingen ekstra væske tap er sannsynlig. Relativ konsentrasjonen av hver art i løsning bør være konstant.
  6. Ta prøven til TEM for bildebehandling.
    Merk: Tiden som er avsatt til tetting varierer fra forsker til forsker. For etsning eksperimenter, er mindre tid før bringe flytende cellen til TEM ønskelig å unngå pre etsning.

3. lasting og Imaging Graphene væske celle

Merk: drift av overføring elektronmikroskop fulgte standard prosedyrer i brukerhåndboken. Hver TEM vil ha forskjellige justeringer fremgangsmåtene.

  1. Sted Grafén flytende cellen i en tradisjonell TEM enkelt tilt holderen (Figur 4).
    Merk: Andre standard holdere som dobbel vippe holdere eller oppvarming holdere kan brukes også. Holdere som bruker en skrue-lignende mekanisme for å sikre TEM rutenettet kan pålegge en skjær kraft som ødelegger Grafén flytende cellen.
  2. Legg TEM abonnenten i kolonnen TEM.
    Merk: Siden Grafén flytende cellen inneholder slike en liten mengde væske med ingen reservoaret og har separate lommer, det er ikke nødvendig å nøye se etter lekkasjer som silicon nitride flytende celle eksperimenter. Selv om en Grafén flytende celle lomme briste, bare en liten mengde væske er utgitt og dermed ville ikke krasje TEM vakuum systemet.
  3. Bruke nanopartikler og amorfe karbon i prøven til riktig justere TEM strålen (pistol tilt, kondensator blenderåpning justering og kondensatoren stigmation), og bilde (Z-høyde justering, objektive stigmation, rotasjon midtstilling og avvik Corrector tuning hvis aktuelt). Deretter fjerne holderen fra banen bjelke og kalibrere elektron strålen dosehastighet.
    1. Aktivere TEM filament minst 20 min før kalibrering å tillate den å stabilisere seg reproduserbar dose priser; Denne ventetiden kan være forskjellig avhengig av TEM systemet og elektron pistol type.
      Merk: Valget microscopists bruker ofte dosehastighet for å se antall elektroner levert per enhet per enhetstid (e-/Å2s). I stråling kjemi samfunnet, dette er kjent som flux tetthet og dosehastighet defineres som mengden energi absorbert per enhet per enhetstid. Siden beregne mengden energi absorberes av et utvalg er vanskelig for komplekse geometrier finnes i flytende celler for å beholde konsekvensen med TEM samfunnet, vi velger å bruke dosehastighet for å referere til elektroner per enhet per enhetstid.
    2. Kondensere strålen mest kondensert beløpet, høyeste dosehastighet, nødvendig for eksperimentere med skjermen (figur 5A). Lese ut og lagre linsen gjeldende for kondensert strålen.
      Merk: Hva 3.3.2 til 3.3.5, en egendefinert digital mikroskop-bilde manuset ble skrevet som tar kontroll over kondensatoren systemet av TEM kalibrere andre kondensator (C2) linsen oppdatert med dosehastighet leverte elektron. Dette gjør forskeren reproduserbar sette dosehastighet elektron til tilfeldige verdier under eksperimentet.
    3. Spre strålen mest spredt beløpet, laveste dosehastighet, nødvendig for eksperimentere med skjermen (figur 5B). Lese ut og lagre linsen gjeldende for spredning strålen.
    4. Dele den kondensatoren linsen strøm til 10 med jevne mellomrom verdier og samle bilder for hver kondensatoren linsen verdi med CCD kameraet.
    5. Konvertere CCD teller å dose rate å bruke CCD følsomhet og forstørrelse kalibrering for hvert objektiv gjeldende.
    6. Bruke data av elektron forandring på ulike objektiv strømninger for å gjøre en kalibreringskurven. Bruk denne kalibreringskurven for resten av eksperimentet for å styre elektronstråle til den ønskede flux.
    7. Sett inn prøven til banen bjelke.
  4. Begynne å søke etter nanopartikler i flytende lommer samtidig dosehastighet lav (vanligvis rundt 20 e-/Å2s).
    Merk: Holder dosehastighet lav hindrer nanopartikler etsing etter nanopartikler.
  5. Når en hydrogenion finnes i en flytende lomme, finjustere fokus på hydrogenion samtidig opprettholde en lav dose rate.
    Merk: Å avgjøre om en hydrogenion er i en flytende lomme kan være vanskelig, men tilstedeværelsen av bobler eller bevegelse av partikler er ofte et godt tegn på en stabil væske lomme. Noen ganger, i stedet for flytende ligne lommer en meget tett gel med bobler beveger seg svært sakte. Disse situasjonene skyldes fordampning av væsken potensielt skyldes utette lommer eller sprekker i Grafén. Det er ganske enkelt å skille mellom gels med ingen bevegelse og flytende miljøer med bobler raskt flytte og endre form. Det kan være noen fordampning under dannelsen av god flytende celle lommer, men relative foretakssammenslutninger mellom reaktantene forblir konstant.
  6. Bruk kalibreringen kurven (se trinn 3.3 for dette) til å angi kondensator linsen gjeldende for den ønskede dosehastighet (figur 5 d).
    Merk: Et internt skript til å angi kondensator linsen gjeldende og oppkjøp bildeparametere
  7. Starte en gang rekke TEM bilder med metadata av dose rate og tid frimerker i bildefilen.
  8. Etter partikkelen er ferdig etsing, spre strålen og begynne å se etter andre nanopartikler i flytende lommene.
  9. Når en tilstrekkelig mengde hydrogenion etsing videoer har blitt samlet, fjerne TEM holderen fra TEM følge standard TEM prosedyrer. Ta Grafén flytende cellen av TEM holderen.
    Merk: En typisk tenkelig økt varer rundt 2-3 h med ca 30 videoer tatt. Antall videoer med brukbare data avhenger av kvaliteten på lommer og type etsing eksperiment.

4. bildeanalyser TEM videoer ved hjelp av beregningsorientert programvare

Merk: Siden 2-dimensjonal projeksjoner av 3-dimensjonale figurer er TEM videoer forsiktig bildeanalyser må gjøres for å trekke ut etsing priser eller forme endringer.

  1. Konvertere den opprinnelige DM3 videofiler til en avi format ved hjelp av ImageJ og importere avi videoer i beregningsorientert programvare (se Tabell for materiale).
  2. Analysere hver nanorod i hver ramme av videoen.
    1. Bestemme omrisset av nanorod ved terskelverdi bildet (figur 7A).
      Merk: Den høye kontrasten i den metalliske nanopartikler gjør bildeanalyser enklere. For studerer systemer med lavere kontrast, kreves tilleggsfiltre før terskelverdi.
    2. Etter omrisset av nanorod, Bestem den overordnede og underordnede aksen nærmeste passer ellipsen (figur 7B).
      Merk: Forutsetter innebygd bilde analyseprogramvare å fastslå den overordnede og underordnede aksen figuren er en ellipse. For en nanorod, som ikke er en ellipse, bør ikke disse verdiene brukes når dimensjonering nanopartikler.
    3. Bruk hovedakse for å klippe nanorod disposisjonen i to halvdeler (figur 7C).
    4. Med hver av disse halvdeler, bestemme volumet og areal av figuren omfattes av roterende som kontur rundt hovedakse.
      Merk: Denne kalkulus metoden er noen ganger referert til som metoden ringer. Denne metoden for analyse fungerer bare hvis nanorod er symmetrisk rundt hovedakse. Har to halvdeler sammenligne volumer og flater gir noen oppmuntring at nanorod er virkelig roterende symmetrisk.
  3. Etter utpakking volum og areal på nanorod for hver ramme av videoen, kompilere og tolke data.
    Merk: Denne disponering metoden tillater også for analyse av fasetter av nanokrystaller med definerte figurer.

Representative Results

Bilder fra en representant video av en nanorod etsing under et elektron strålen dosehastighet på 800 e-/ Å2s er vist i figur 6. Løsningen krever om 20 s av bjelke belysning før nanorod begynner gjennomgår oksidativt etsning. Etter nanorod begynner etsing, opphold frekvensen av fjerning av atomer stødig mens nanorod opprettholder også en konstant størrelsesforhold. Nanorods vanligvis har ikke betydelig bevegelse under videoer som samsvarer med tidligere flytende celle TEM arbeid med nanopartikler av denne størrelse24. Siden nanopartikler ikke flytte mye, er boble generasjon og boble bevegelse vanligvis de beste måtene å avgjøre om en hydrogenion er i en flytende lomme. Som nanorod blir liten, nanorod begynner roterende og flytter inn og ut av fokalplanet, bekrefter at nanorod er i et flytende miljø.

Vanligste feil Grafén flytende celler er manglende evne til å kapsle stabil lommer av væske. Dette kan noen ganger føre til å tørke helt lommer preget av noen bobler og ingen hydrogenion bevegelse eller endring. I tillegg kan en lomme begynner med flytende og bobler, men senere tørke ut før hydrogenion helt etches. Vanligvis for en god flytende celle hver lomme er stabil for rundt 2-3 minutter på dosehastighet etsing, og lomme tørking bare blir et problem for store nanopartikler eller langsom etsing prosesser. Noen ganger kan væske fordampe ut av en lomme og etterlate en gel-lignende løsning med svært høy salt konsentrasjon. Disse gels er vanligvis åpenbart når imaging på grunn av den høye kontrasten i løsningen og treg ekstremt bevegelse av bobler og partikler. Samles i disse gel-lignende løsninger kan ikke klareres.

Etter samle flytende cellen TEM data, analyseres videoer med hydrogenion etsning. Den volumer, areal og fasetter (hvis aktuelt) kan trekkes ut og vurdert videre (figur 7). En indikasjon på en tørking lomme er betydelig sakker av frekvensen av etsing over tid, så plotting volum mot tiden kan være en effektiv metode for å kontrollere stabiliteten i lommen og pålitelighet av dataene. Andre suboptimal resultatene inkluderer ikke-symmetrisk etsing indikativ av ikke-homogen lomme innholdet og uønsket nedbør av iron hydroxide arter fra jern klorid etsematerialer. Total, den viktigste nøkkelen for vellykket Grafén flytende celler er et stabilt flytende miljø som fører til reproduserbar nanocrystal dynamics over flere nanopartikler og flytende lommer.

Figure 1
Figur 1 . Skjematisk av Grafén flytende celle TEM teknikk. (A) for å montere en Grafén flytende celle, en dråpe løsning er plassert på et Grafén-belagt holey karbon TEM rutenett. En andre Grafén-belagt rutenettet plasseres oppå slippverktøyet å danne en lomme. Merk at dette bildet ikke er skala og flytende slippverktøyet er ca 33% for stor. (B) bratt stigning i skjematisk av en flytende lomme under TEM avbilding av gull nanorods. Denne tegneserie er også ikke å skalere. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 . Prosessen for å gjøre Grafén belagt TEM rutenett (A) vask Grafén-på-kobber stykke i varm aceton (B) fjerne makroskopisk rynker for sammenslåing Grafén-på-kobber to glass lysbilder. En vev er plassert under Grafén-på-kobber arb slik at ikke kaste i nye rynker. (C) å plassere amorfe holey karbon TEM rutenett på Grafén-på-kobber med amorfe karbon side av TEM rutenett berøre Grafén. (D) flytende kobber/Grafén/TEM rutenett på natrium persulfate etsematerialer. Dette fjerner kobber rutenettet. (E) Grafén belagt TEM rutenett etter etsing av kobber. Løsningen er blå, og det er ingen kobber igjen på Grafén-belagt rutenettet. For referanse, diameteren på glasset Petriskål er ca 6 cm og av objektglass er 7,5 cm av 2,5 cm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 . Prosessen for å gjøre Grafén flytende celler (A) to Grafén-belagt TEM rutenett forberedt på et glass lysbilde med en kant kuttet en av dem. Den kirurgiske skalpell brukte til å skjære rutenettet er øverst til høyre på bildet. (B) dråpe innkapsle løsningen på en Grafén belagt rutenett. Slippverktøyet på topp rutenettet er riktig størrelse og har gjort en fin perle på Grafén. Slippverktøyet på bunnen rutenettet har bled gjennom Grafén, sannsynligvis en sprekk i Grafén. (C) andre Grafén-belagt rutenettet plasseres over første rutenett med slippverktøy løsning. Grafén flytende cellen er nå klar til å laste inn en TEM. For referanse, av objektglass er 7,5 cm av 2,5 cm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 . Laster inn Grafén flytende cellen inn standard enkelt tilt TEM holderen. Grafén flytende cellen passer i en standard-vipper enkelt TEM holder på samme måte som en vanlig TEM rutenettet passer i holderen. For referanse, TEM rutenettet har en diameter på 3 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 . TEM beam kontroll. (A) kondensert elektronstråle for dose rate kalibrering vises i skjermbildet fluorescerende. (B) utvidet elektronstråle for dose rate kalibrering vises ved hjelp av fluorescerende skjerm. Intensitet minker mens elektronene per område per gang redusere som er grunnen elektronstråle er svært svak. (C) kalibreringskurven om elektron strålen dosehastighet kondensatoren linsen gjeldende. Denne kalibreringskurven brukes for styring av strålen dosehastighet under bildebehandling. (D) parametere brukes når TEM videoer av nanopartikler i Grafén flytende celler. Bestemte verdier brukes for hver parameter kan endres avhengig av materialet blir fotografert og oppløsningen nødvendig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 . Gull nanorod etsing i en Grafén flytende celle lomme. Rammene av en representant TEM video av en gull nanorod etsing under dosehastighet på 800 e-/ Å2s. Etter en innledende periode på etsing etches nanorod konstant. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 . Metoden for å analysere bilder (A) beskriver nanorod bruke terskelverdi i analyseprogramvare. (se Tabell for materiale) Dette skiller hydrogenion fra bakgrunnen og gir en form for kvantitativ analyse. (B) å bestemme hoved- og aksene på nanorod. (C) utdrager hver halvparten av 2D-disposisjonen Skjær langs hovedakse. Bruker disse disposisjoner, rekonstruere 3D form ved å rotere omrisset rundt x-aksen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Grafén flytende celle elektronmikroskop kan gi mekanistisk informasjon om nanocrystal vekst og etsing med høy romlig oppløsning, men siden gjøre Grafén flytende celler kan være vanskelig og delikat, teknikken krever oppmerksomhet på detaljer til Pakk ut brukbare data. Selv etter omfattende praksis å gjøre Grafén flytende celler, bare om en halv til en fjerdedel av gjort flytende celler vellykket innkapsle flytende løsningen. Det kritiske trinnet i danne flytende celler er å plassere andre rutenettet på slippverktøyet væske. Vanlige feil omfatter får pinsett fast mellom de to rutenettene, slippe andre rutenettet for langt utenfor sentrum, og starter med et slippverktøy som er for stor. Siden montering av Grafén flytende celler er delikat og krever fine motorikken, tar det vanligvis praksis kunne lage flytende lommer. På grunn av utgiften av Grafén-belagt TEM nett, er det sterkt anbefalt at nye Grafén væske celle brukere første praksis flytende cellen for tradisjonelle kobber, amorf karbon TEM rutenett for å spare penger.

Bestemme årsakene til feil for flytende celler kan være utfordrende fordi en forsker ikke kan vite om hvert trinn har vært vellykket til imaging prøven på slutten, og feil, som skrape Grafén, kan gå ubemerket hen. Enkleste feilen å identifisere er en feilaktig samling fordi forskeren vil umiddelbart se væske lekker ut av Grafén flytende cellen. Problemer med å lage Grafén på kobber rutenett som sprengning av Grafén, kan være vanskeligere å finne. Kvaliteten på Grafén kan kontrolleres både før og etter belegg TEM rutenett med Raman spektroskopi, men Grafén er vanligvis ubrukelig etter denne testingen. I tillegg er det viktig å bruke direkte overføring Grafén fordi de to ansiktene til Grafén blir satt sammen trenger å være ren til riktig en forsegling gjennom Van der Waals styrker. Gjør Grafén-belagt rutenett gjennom polymer overføring metoder kan la polymer rester på siden av Grafén som er forventet å bånd sammen. Hvis riktig prosedyre følges med de riktige TEM-rutenettene, er mangel på suksess med Grafén flytende cellen vanligvis på grunn av mishandling av Grafén og rutenett under montering og fabrikasjon.

Grafén flytende celle TEM fremskritt eksisterende flytende celle TEM teknikker ved hjelp av et mye tynnere innkapsling materiale som kan brukes i noen tradisjonelle TEM innehaver, gjør høy oppløsning og fasett bane sporing eksperimenter mye enklere. Med oppløsningen av kommersielle silicon nitride membran flytende celler være mye av fasett og kinetisk informasjon som ved etsing nanokrystaller i Grafén flytende cellen tapt. Grafén flytende celle TEM eksperimenter kan også utføres på eksisterende enkelt tilt TEM holdere benektende behovet for dyre nye spesialiserte holdere. Videre Grafén flytende cellen kan settes i en holder som aksepterer standard TEM rutenettet prøver slik at flytende celle eksperimenter utføres i avansert innehavere (oppvarming, dobbel tilt, kjøling, cryo, cathodoluminescence) der silicon nitride væske celler har ikke blitt utviklet. I tillegg utgjør Grafén flytende celler ikke risikoen for krasje vakuum kolonnen TEM hvis lommene brudd som andre flytende celle TEM teknikker. Selv om Grafén flytende cellen ikke ennå en allestedsnærværende teknikk i nanocrystal felt, vil dens lette av bruk og romlig oppløsning gjøre det mye mer utbredt i fremtiden.

Selv med sine mange fordeler har Grafén flytende celle TEM begrensninger på hvilke typer eksperimenter som kan utføres. Noen væske fordampe som lommer form, så det er vanskelig å nøyaktig bestemme konsentrasjonen av arter i løsning, aften uten betraktning elektron strålen effekter. Grafén flytende celler har også tilfeldige størrelser og høyder distribusjoner av små lommer, så silicon nitride flyt celler har fordelen av mer kvantifiserbare pre strålen konsentrasjoner og store, ensartede flytende lag. Som beskrevet i dette arbeidet, kan bare forhåndsinstallert prøver vises med Grafén flytende cellen i TEM, så det ikke er mulig å strømme i andre løsninger å utløse kjemiske reaksjoner. Den radiolysis arten generert av samspillet av elektronstråle med flytende løsningen er bare utløser som kan brukes til å starte en reaksjon. Selv om ikke vist ennå, kan termisk igangsatt prosesser utløses i Grafén flytende celler ved hjelp av standard oppvarming holdere. Elektron strålen-indusert radiolysis effekter er fortsatt ikke fullt ut forstått og kan være vanskelig å kontrollere. Forskere har utviklet kinetic modeller for å bestemme innholdet i flytende celle lommer etter strålen samhandling31,32, men nøyaktigheten er begrenset av antall reaksjoner inkludert i modellen og noen ukjent konsentrasjon endringer på grunn av tørke. Komplekse første lomme innholdet med mange reagere arter som FeCl3, Tris Buffer og selv Grafén30, kan være vanskelig å forstå bruker kinetisk modell. En annen ulempe av flytende celle elektronmikroskop er at det er vanskelig å karakterisere sammensetningen av krystallene dannet under dynamisk prosesser. For eksempel i Vekstforsøk multicomponent systemer, kan det være umulig å skille hva faser eller arter vokser hvis de nye nanokrystaller er amorfe eller ikke på sone aksen. Dette er en annen grunn til at etsing pre-formet nanokrystaller av en kjent komposisjon sitter på en kjent sonen akse er ønskelig. Endelig er det fortsatt noen argumenter som bjelke-indusert reaksjoner i et flytende Grafén-cellen ikke representerer betingelsene for ex situ reaksjoner i en bolle.

Fremtidige Grafén flytende celle eksperimenter vil hjelpe lindre noen av disse bekymringene mens også bruker nye TEM videre til videre sondere underliggende mysterier nanokrystaller. Correlative ex situ nanocrystal syntese og etsing eksperimenter vil være avgjørende bekrefter mekanismer i flytende celle TEM eksperimenter. Også forskere har begynt å arbeide på flyt evner å Grafén flytende celle TEM35 og gjør mer kontrollert lommer36 inkludert matriser av Grafén flytende celler med lithographically utarbeidet hull37. Fremskritt i elektronmikroskop oppløsning og kameraet hastighet vil gjøre Grafén flytende celle videre kunne studere atomic dynamics under nanocrystal transformasjoner. Innpakning små lommer av væske i en atomically tynt materiale som Grafén for bruk i elektronmikroskop har en rekke potensielle og vil utvilsomt bli et fast innslag i nanovitenskap forskning i fremtiden.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Arbeidet ble støttet av US Department of Energy, Office of Science, Office for energi basalfag, materialer fag og ingeniør divisjon, under Kontraktnr. DE-AC02-05-CH11231 i Fysikalsk kjemi av uorganiske nanostrukturer Program (KC3103).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. O'Brien, M. N., Jones, M. R., Brown, K. A., Mirkin, C. A. Universal Noble Metal Nanoparticle Seeds Realized Through Iterative Reductive Growth and Oxidative Dissolution Reactions. Journal of American Chemical Society. 136 (21), 7603-7606 (2014).
  2. Alivisatos, A. P., et al. Organization of "Nanocrystal Molecules" Using DNA. Nature. , 609-611 (1996).
  3. Mirkin, C. A., Letsinger, R. L., Mucic, R. C., Storhoff, J. J. A DNA-Based Method for Rationally Assembling Nanoparticles into Macroscopic Materials. Nature. , 607-609 (1996).
  4. Abrams, I. M., McBain, J. W. A Closed Cell for Electron Microscopy. Journal of Applied Physics. 15 (8), 607-609 (1944).
  5. 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 (8), 532-536 (2003).
  6. Radisic, A., Ross, F. M., Searson, P. C. In situ Study of the Growth Kinetics of Individual Island Electrodeposition of Copper. Journal of Physical Chemistry B. 110 (15), 7862-7868 (2006).
  7. Niu, W., et al. Selective Synthesis of Single-Crystalline Rhombic Dodecahedral, Octahedral, and Cubic Gold Nanocrystals. Journal of American Chemical Society. 131 (2), 697-703 (2009).
  8. de Jonge, N., Ross, F. M. Electron Microscopy of Specimens in Liquid. Nature Nanotechnology. 6 (11), 695-704 (2011).
  9. Liao, H. G., Cui, L., Whitelam, S., Zheng, H. Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution. Science. 336 (2012), 1011-1014 (2012).
  10. Grogan, J. M., Schneider, N. M., Ross, F. M., Bau, H. H. Bubble and Pattern Formation in Liquid Induced by an Electron Beam. Nano Letters. 14, 359-364 (2013).
  11. Tan, S. F., et al. Real-Time Imaging of the Formation of Au-Ag Core-Shell Nanoparticles. Journal of American Chemical Society. 138, 5190 (2016).
  12. Woehl, T. J., Evans, J. E., Arslan, I., Ristenpart, W. D., Browning, N. D. Direct in situ Determination of the Mechanisms Controlling Nanoparticle Nucleation and Growth. ACS Nano. 6 (10), 8599-8610 (2012).
  13. Sutter, E., et al. In situ Liquid-Cell Electron Microscopy of Silver-palladium Galvanic Replacement Reactions on Silver Nanoparticles. Nature Communications. 5, 4946 (2014).
  14. Mehdi, B. L., et al. Observation and Quantification of Nanoscale Processes in Lithium Batteries by Operando Electrochemical (S)TEM. Nano Letters. 15 (3), 2168-2173 (2015).
  15. Nielsen, M. H., Aloni, S., De Yoreo, J. J. In situ TEM Imaging of CaCO3 Nucleation Reveals Coexistence of Direct and Indirect Pathways. Science. 345 (6201), 1158-1162 (2014).
  16. Ahmad, N., Wang, G., Nelayah, J., Ricolleau, C., Alloyeau, D. Exploring the Formation of Symmetric Gold Nanostars by Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. , (2017).
  17. Ross, F. M. Opportunities and Challenges in Liquid Cell Electron Microscopy. Science. 350 (6267), (2015).
  18. Niu, K. Y., Liao, H. G., Zheng, H. Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. Journal of Visualized Experiments. (70), (2012).
  19. Liao, H. G., et al. Facet Development during Platinum Nanocube Growth. Science. 345 (6199), 916-919 (2014).
  20. Jungjohann, K. L., Evans, J. E., Aguiar, J. A., Arslan, I., Browning, N. D. Atomic-Scale Imaging and Spectroscopy for In situ Liquid Scanning Transmission Electron Microscopy. Microscopy and Microanalysis. 18 (3), 621-627 (2012).
  21. Li, D., et al. Direction-Specific Interactions Control Crystal Growth by Oriented Attachment. Science. 336 (6084), 1014-1018 (2012).
  22. Yuk, J. M., et al. Graphene Veils and Sandwiches. Nano Letters. 11 (8), 3290-3294 (2011).
  23. Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336 (6077), 61-64 (2012).
  24. Ye, X., et al. Single-Particle Mapping of Nonequilibrium Nanocrystal Transformations. Science. 354 (6314), 874-877 (2016).
  25. Park, J., et al. 3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy. Science. 349 (6245), 290-295 (2015).
  26. Shin, D., et al. Growth Dynamics and Gas Transport Mechanism of Nanobubbles in Graphene Liquid Cells. Nature Communications. 6, 1-6 (2015).
  27. Jeong, M., Yuk, J. M., Lee, J. Y. Observation of Surface Atoms during Platinum Nanocrystal Growth by Monomer Attachment. Chemistry of Materials. , 3200-3202 (2015).
  28. Wojcik, M., Hauser, M., Li, W., Moon, S., Xu, K. Graphene-Enabled Electron Microscopy and Correlated Super-Resolution Microscopy of Wet Cells. Nature Communications. 6 (1), 7384 (2015).
  29. Dahmke, I. N., et al. Graphene Liquid Enclosure for Single-Molecule Analysis of Membrane Proteins in Whole Cells Using Electron Microscopy. ACS Nano. 11 (11), 11108-11117 (2017).
  30. Cho, H., et al. The Use of Graphene and Its Derivatives for Liquid Phase Transmission Electron Microscopy of Radiation-Sensitive Specimens. Nano Letters. 17 (1), 414-420 (2016).
  31. Schneider, N. M., et al. Electron-Water Interactions and Implications for Liquid Cell Electron Microscopy. Journal of Physical Chemistry C. 118 (38), 22373-22382 (2014).
  32. Park, J. H., et al. Control of Electron Beam-Induced Au Nanocrystal Growth Kinetics through Solution Chemistry. Nano Letters. 15 (8), 5314-5320 (2015).
  33. Chen, Q., et al. 3D Motion of DNA-Au Nanoconjugates in Graphene Liquid Cell Electron Microscopy. Nano Letters. 13 (9), 4556-4561 (2013).
  34. Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method. Chemistry of Materials. 15 (10), 1957-1962 (2003).
  35. Rasool, H., Dunn, G., Fathalizadeh, A., Zettl, A. Graphene-Sealed Si/SiN Cavities for High-Resolution in situ Electron Microscopy of Nano-Confined Solutions. Phys status solidi. 253 (12), 2351-2354 (2016).
  36. Wadell, C., et al. Nanocuvette: A Functional Ultrathin Liquid Container for Transmission Electron Microscopy. ACS Nano. 11 (2), 1264-1272 (2017).
  37. Kelly, D. J., et al. Nanometer Resolution Elemental Mapping in Graphene-Based TEM Liquid Cells. Nano Letters. , (2018).

Tags

Kjemi problemet 135 Grafén flytende celle overføring elektronmikroskop i situ overføring elektronmikroskop nanokrystaller oksidativt etsing gull nanorods enkelt hydrogenion eksperimenter
Bruk av Graphene væske celle overføring elektronmikroskop <em>in Situ</em> Nanocrystal etsning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hauwiller, M. R., Ondry, J. C.,… More

Hauwiller, M. R., Ondry, J. C., Alivisatos, A. P. Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching. J. Vis. Exp. (135), e57665, doi:10.3791/57665 (2018).

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