Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Bruger Graphene flydende celle Transmission elektronmikroskopi at studere in Situ Nanocrystal ætsning

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

Graphene flydende celle elektronmikroskopi kan bruges til at observere nanocrystal dynamik i en flydende miljø med større rumlig opløsning end andre flydende celle elektronmikroskopi teknikker. Ætsning premade nanokrystaller og efter deres form bruger graphene flydende celle transmissions elektronmikroskopi kan give vigtige mekanistiske information om nanopartikel transformationer.

Abstract

Graphene flydende celle elektronmikroskopi giver mulighed for at observere nanoskala kemiske forandringer og dynamics som reaktioner forekommer i flydende miljøer. Dette manuskript beskriver processen for at gøre graphene flydende celler gennem eksempel graphene flydende celle transmissions Elektron Mikroskopi (TEM) eksperimenter af guld nanocrystal ætsning. Protokol for at gøre graphene flydende celler indebærer belægning guld, holey-carbon TEM gitre med kemiske dampe deposition graphene og derefter bruge disse graphene-belagt gitre til at indkapsle væske mellem to graphene overflader. Disse lommer af væske, med nanomateriale af interesse, er afbildet i elektronmikroskop at se dynamikken i nanoskala proces, i dette tilfælde den oxidative ætsning af guld nanorods. Ved at kontrollere elektron beam dosering, som modulerer ætsning arter i cellen flydende, kan de underliggende mekanismer af hvordan atomer er fjernet fra nanokrystaller til at danne forskellige facetter og figurer blive bedre forstået. Graphene flydende celle TEM har fordelene ved høj rumlige opløsning, kompatibilitet med traditionelle TEM indehavere, og lav opstartsomkostninger til forskningsgrupper. Nuværende begrænsninger omfatter delikat prøveforberedelse, manglende flow kapacitet, og afhængigheden af elektron beam-genereret radiolysis produkter til at fremkalde reaktioner. Med yderligere udvikling og kontrol, graphene flydende celle kan blive en allestedsnærværende teknik i nanomaterialer og biologi, og er allerede bruges til at studere mekanismer vedrørende vækst, ætsning og samlesæt processer af nanomaterialer i væske på den enkelt partikel niveau.

Introduction

Controllably syntese nanokrystaller1 og samle nanopartikler i større strukturer2,3 kræver en forståelse af de grundlæggende mekanismer for hvordan atomer og nanopartikler interagerer og binde sammen. Ideelt set ville gennemføres undersøgelser af disse nanoskala processer i deres native flydende miljø med den tilsvarende rumlige opløsning nødvendigt at observere fænomener af interesse, men disse krav er en udfordring på grund af nanometer længde skala som disse systemer fungerer. Forskere har længe ønsket at bruge den rumlige opløsning af Elektron Mikroskopi til at afbilde disse processer, men de høje vakuum i kolonnen elektronmikroskop kræver indkapsling af flydende løsning4. Nogle tidlige flydende celle elektronmikroskop eksperimenter indkapslet væske mellem to silicon nitride membraner5,6,7,8, og denne metode er nu blevet et kommercielt tilgængelige teknik til at studere dynamisk nanoskala processer.

Kommercielt tilgængelige silicon nitride flydende celle TEM indehavere har givet den nødvendige opløsning til at se og forstå en række interessante fænomener på nanoskala9,10,11,12 , 13 , 14 , 15 , 16. nogle kommercielle flydende celle TEM indehavere har ekstra funktioner såsom varme, flow, og elektriske forbindelser, at yderligere udvide realm af nanoskala processer, der kan undersøges. Men med alle disse funktioner, de kommercielle systemer er ikke optimeret omkring at opnå den højeste rumlige opløsning. For forskere, der har brug for forbedret rumlige opløsning, er mindske vindue tykkelse og faldende flydende tykkelse to mulige ruter til mindre elektron beam spredning og bedre opløsning17. Nogle grupper, der bruger silicon nitride flydende celler fremstille deres egne vinduer, som giver større kontrol over vinduet og flydende tykkelser. 18 den nedsat spredning af disse hjemmelavede flydende celler har aktiveret elektronmikroskopi undersøgelser med større rumlige opløsning herunder atomare opløsning undersøgelser19,20,21.

Da tykkelsen af den indkapsling materiale er et aspekt, der negativt påvirker den rumlige opløsning af flydende celle eksperimenter, atomically tynde, lav-Z materialer såsom graphene ville være ideelt indkapsling materialer22, 23. Graphene plader er stadig stærk nok til at beskytte de flydende lommer fra trykforskellen af kolonnen. Derudover indeholder disse graphene flydende celle lommer normalt tyndere lag af væske, yderligere forbedre den opnåelige rumlige opløsning. Mange interessante nanoskala processer er blevet undersøgt med graphene flydende celler herunder undersøgelser efter nanopartikel facet baner og nanopartikel dynamics med atomic resolution23,24,25 ,26,27. En utilsigtet fordel af graphene flydende celle teknik er, at denne høje rumlige opløsning kan opnås uden at det kræver køb af en anden TEM indehaveren eller specialiserede silicium fabrikation. Eksperimenter ved hjælp af silicon nitride celler, der er opnået høj opløsning også kræves store nanopartikler består af tunge atomer, opløsning opnået ved graphene flydende celle kan fastsaette sub-2 nm nanopartikler25atomic opløsning. Derudover har graphene flydende celle åbnet muligheder for at undersøge biologiske prøver med elektronmikroskopi på grund af den fleksible karakter af graphene for indkapsling28,29 og graphene evne til at afbøde nogle af de skadelige virkninger af elektronen stråle30. På grund af disse fordele har graphene flydende celle elektronmikroskopi potentiale til at blive en standard teknik i Fællesskabets nanovidenskab, når større antal forskere forstår bedre om denne teknik kan hjælpe deres forskning og hvordan man anvender denne teknik.

Forskere i kemiske, nanomateriale, biologiske og andre felter, som ønsker rumlige opløsning i situ forandringer kan drage fordel af anvender graphene flydende celle elektronmikroskopi teknik. Denne i situ -metode er særligt værdifulde for ikke-ligevægt processer, der kræver visualisering under omdannelsen. En væsentlig ulempe af flydende celle TEM teknikker er generation af radiolysis arter af den perturbative elektron beam31, som kan fremkalde uønskede ændringer i fine prøver. Forskere har udviklet modeller til at forsøge at kvantificere beam-drevet kemi31,32, og der udvikles strategier for at mindske disse virkninger30,32. Graphene flydende celle TEM har den yderligere udfordring at være skrøbelig og ofte svært at gøre, især for forskerne nye til teknik. Formålet med denne artikel er at dele oplysninger om hvordan graphene flydende celle TEM eksperimenter kan gennemføres (figur 1), ved hjælp af et eksempel eksperimentere observere enkelt partikel ætsning af nanokrystaller, og forhåbentlig vise at graphene flydende celle eksperimenter er muligt for næsten enhver gruppe med adgang til en elektron mikroskop. Protokollen vil dække graphene belægning af gitre, flydende celle dannelse, TEM brug for graphene flydende celle ætsning eksperimenter og billede analyseteknikker. Kritiske trin i at gøre de flydende celler som størrelsen af denne droplet indkapslet, nøje overvejelse af flydende løsning indhold, og brug af kun direkte overførsel graphene dækkes med yderligere rådgivning om hvordan man kan undgå at gentage faldgruberne af tidligere forskere. Graphene flydende celle TEM er en spirende teknik til nanoskala forskning, og denne artikel vil sætte nytilkomne begynde udnytte denne teknik.

Protocol

1. at gøre Graphene-belagt TEM gitre

  1. Skære en ca 2 cm2 stykke af premade graphene på kobber (Se Tabel af materialer) som passer omkring 6 til 8 TEM gitre.
    Bemærk: Ved hjælp af 3 - 5-lags indkapsler graphene i stedet for enkelt lag graphene flydende lommer med højere succesrate uden at miste opløsning. Da graphene er en atomically tynde, lav-Z materiale, er de fleste opløsning tab fra flydende tykkelse for graphene flydende celler.
  2. Ren graphene bruge en acetone vask (figur 2A).
    Bemærk: Dette trin er designet til at fjerne enhver resterende PMMA [poly(methyl methacrylate)] venstre på graphene overfladen under deposition proces. Hvis brugeren er overbevist om, at deres graphene er ren, dette trin er unødvendige.
    1. Placér graphene på kobber i et glas petriskål og fyld med acetone.
      Bemærk: Acetone bruges fordi PMMA opløses i acetone.
    2. Forsigtigt opvarmes acetone løsning (~ 50 ° C) i 5 min, hvirvlende løsningen med jævne mellemrum.
      Bemærk: Sørg for at se acetone og temperatur for at undgå en brand. Dette bør ske i et stinkskab.
    3. Fjerne graphene på kobber stykke fra acetone vask med pincet og erstatte acetone med ny, ren acetone.
      Bemærk: Pas på ikke at skrabe eller ellers skader graphene overflade med pincet.
    4. Gentag vaskeprocessen ialt 3 gange.
    5. Lad den graphene-på-kobber lufttørre grundigt før du går videre til næste trin.
  3. Glat graphene på kobber stykke til at fjerne eventuelle makroskopiske rynker (figur 2B).
    Bemærk: Denne udjævning proces udføres for at sikre, at de perforerede støtte folier-TEM gitre (Se Tabel af materialer) er købedygtig ordentligt obligation til graphene overflade. Buler og folder i graphene på kobber gør det vanskeligt at opretholde god kontakt.
    1. Tag to rene glas lysbilleder, og Placer en foldede serviet (Se Tabel af materialer) på det nederste glas dias. Placér graphene på kobber på toppen af tørre. Endelig, Placer det andet glas dias på toppen.
      Bemærk: Placér graphene på kobber med graphene side op (rørende glas dias) at forhindre ridser fra væv tørre. Det foldede væv bruges til gradvist at skubbe ud rynker og forhindre foldning i nye folder.
    2. Tryk ned på det øverste dias, gradvist udglatte alle rynker i graphene på kobber stykke. Reducere antallet af folderne i vævet og gentage den presserende proces. Fortsætte indtil en endelige presserende mellem to glas dias med ingen væv tørre.
  4. Fastsætte TEM gitre på graphene på kobber stykke (figur 2 c).
    1. Sted den holey amorf carbon støtte folie-TEM gitre (Se Tabel af materialer) ned på graphene med amorf carbon i kontakt med graphene.
      Bemærk: Pas på ikke at bøje eller deformere TEM gitre, når picking dem med pincet. Bent TEM gitre binde ikke ordentligt til graphene. Afhente gitrene ved kanten af gitteret forhindrer deformering af nettene. Her, bruges gold TEM gitre til at undgå ætsning gitrene under det skridt, der fjerner kobber fra graphene på kobber.
    2. Sted et par dråber af isopropanol på Grid-net.
      Bemærk: Hvis nogen gitre bliver overlappet, forsigtigt flytte dem med spidsen af en pincet efter at sætte isopropanol på Grid-net. Vær omhyggelig med ikke at beskadige graphene.
    3. Lad tørre for 2 + h for at sikre gitre er ordentligt jordet. Denne tørringsprocessen bringer den holey amorf carbon i bedre kontakt med graphene.
      Bemærk: For at kontrollere, om gitrene har overholdt graphene, forsigtigt afhente graphene på kobber stykke og vende det på hovedet. Hvis tyngdekraften ikke fjerner gitrene, skal de være ordentligt jordet.
  5. Etch kobber ved hjælp af en natrium persulfat løsning (figur 2D).
    1. Gøre en løsning med 1 g natrium persulfat i 10 mL deioniseret vand.
    2. Brug af pincet, Anbring forsigtigt graphene på kobber stykke på natrium persulfat løsning med den kobber side ned. Lad stykke float på toppen af natrium persulfat løsning (figur 2D).
    3. Holde løsningen med graphene-belagt gitre sidde natten over. Bemærk, at løsningen bliver blå, som kobber ætser, og der bliver ingen synlige kobber bag graphene ark når ætsning er færdig (figur 2E).
  6. Vask gitre til at rense ud natrium persulfat.
    1. Fjern de flydende gitre fra opløsningen og læg dem på toppen af ren, deioniseret vand (Se Tabel af materialer til filter) i en anden petriskål.
      Bemærk: Den nemmeste metode til at overføre gitrene indebærer anvendelse af et glas dias til at afhente gitrene og derefter placere dem ned i den anden petriskål fyldt med vand. Nogle gitre vil falde til bunden af petriskålen under overførselsprocessen. Dette er normalt et tegn på at graphene på nettet er revnet eller anden måde beskadiget.
    2. Gentag denne proces 3 gange for at fjerne alle natrium persulfat rester fra graphene-belagt gitre.
    3. Afhente gitrene med pincet, placere den gitre graphene-side op på et filtrerpapir, og lad dem tørre.
      Bemærk: Denne endelige overførsel af vand vask kan være svært, da gitrene ofte holde sig til pincet på grund af de kapillære kræfter fra resterende vand.

2. at gøre flydende celle lommer

  1. Tag to graphene-belagt TEM gitre og placere dem graphene side op på et glas dias. Brug en lille kirurgisk skalpel klinge, skåret ud over kanten af en af graphene-belagt TEM gitre, ca 1/4 til 1/8 af området i nettet (figur 3A).
    Bemærk: Skære en af nettene er hypotese for at bringe graphene på de to gitre i tættere kontakt til at give bedre graphene-graphene interaktion til form lommer.
  2. Forberede løsningen at være indkapslet.
    Bemærk: Løsningen er specifikke for nanocrystal ætsning eksperiment.
    1. Gøre Tris HCl stødpudeopløsning med deioniseret vand i en koncentration på mellem 10-100 mM.
      Bemærk: Vi har fundet, at for at forberede vandig metallisk nanopartikel løsninger, Tris buffer HCl fører til en højere succesrate på stabil lommer, selv om flere undersøgelser er nødvendige for at forstå hvorfor Tris buffer HCl hjælper med at gøre stabil lommer. Ved hjælp af Tris buffer base eller ingen Tris buffer begge synes at have meget lavere succesrate med pocket dannelse i dette tilfælde. Hvert opløsningsmiddel og prøve sandsynligvis vil kræve optimering at finde forhold, som skaber stabil lommer mens ikke forstyrre kemi undersøges. En kort gennemgang af litteraturen viser succes med ortho-dichlorbenzen/oleylamine (9:1 ratio),23 0,5 x Tris-Borat-EDTA (TBE) og 200 mM NaCl løsning,33 og vandig 0,15 M NaCl opløsning30 samt den vandige Tris buffer HCl system præsenteres her.
    2. Gøre et 40 mM FeCl3 løsning i en opløsning af deioniseret vand med 1,8 µL af HCl pr. mL vand.
      Bemærk: FeCl3 er TIPkan for denne ætsning eksperiment. Andre eksperimenter kan tilføje forskellige løsninger afhængigt af eksperimentet udføres.
    3. Gøre guld nanorods og fokusere nanorod prøven efter rengøring1,34.
    4. Bland 0,15 mL 0,01-0,1 mM Tris Buffer HCl, 0,1 mL af 40 mM FeCl3 i HCl og 10 µL af nanorods.
  3. Placer ~0.5 µL dråbe af løsning at være indkapslet på gitteret ikke-cut graphene-belagt TEM. Bruge en pincet til at holde kanten af gitteret TEM samtidig med at placere dråben, således at de kapillære kræfter ikke afhente TEM gitter (figur 3B).
    Bemærk: Vær forsigtig til at gøre denne droplet så lille som muligt og placere det som tæt på midten af nettet som muligt.
  4. Hurtigt og omhyggeligt placere graphene-belagt TEM gitter med det afskårne hjørne oven på en droplet; Målet er at have den anden nettet kommer til at hvile på toppen af den første gitter med nogen væske at få klemt ud (figur 3 c).
    Bemærk: Med det andet gitter allerede placeret i selvlukkende pincet kan gøre processen hurtigere og nemmere. Dette er nok det sværeste skridt af flydende celle dannelse proces med mange potentielle fejl, der kan opstå. Nedgang den topristen nede mens du fjerner pincet er en udfordring, som pincet kan sidde fast i mellem de to gitre. Generelt, placere en kant af TEM topristen ned og derefter gradvist at give slip på nettet fungerer bedst. Bemærk, at hvis væsken er set på glas dias, derefter lommer sandsynligvis ikke forsegle korrekt.
  5. Vent 5 min. for at lade graphene flydende celle lommer form.
    Bemærk: Nogle fordampning af væsken kan opstå lommer danner, men når en hermetiske sæl er dannet, ingen ekstra flydende tab er sandsynligt. De relative koncentrationer af hver art i løsning bør forblive konstant.
  6. Bringe prøven til TEM til billedbehandling.
    Bemærk: Hvor lang tid der er afsat til forsegling varierer fra forsker til forskeren. For ætsning eksperimenter, er mindre tid før at bringe den flydende celle til TEM ønskeligt at undgå pre ætsning.

3. ladning og Imaging Graphene flydende celle

Bemærk: drift af transmissions elektronmikroskop fulgt standard procedurer findes i brugervejledningen. Hver TEM vil have forskellige justering procedurer.

  1. Sted graphene flydende celle i en traditionel TEM enkelt vippe indehaveren (figur 4).
    Bemærk: Andre standard indehavere som dobbelt vippe indehavere eller varme indehavere kan bruges som godt. Indehavere, bruger en skrue-lignende mekanisme til at sikre TEM gitteret kan pålægge en shear kraft, der ødelægger cellen graphene flydende.
  2. Indlæse TEM indehaveren i kolonnen TEM.
    Bemærk: Da graphene flydende celle indeholder en lille mængde væske med ingen reservoir og har separate lommer, der er ingen grund til at strengt kontrollere for lækager som silicon nitride flydende celle eksperimenter. Selvom en graphene flydende celle lomme brast, kun en meget lille mængde væske er frigivet og dermed ville ikke crash TEM vakuum system.
  3. Brug af nanopartikler og amorf carbon i stikprøven at ordentligt justere TEM beam (pistol tilt, kondensator blænde justering og kondensatoren stigmation), og image (Z-højde justering, objektive stigmation, rotation center justering og aberration Corrector tuning hvis relevant). Derefter fjerne indehaveren fra strålegangen og kalibrere elektron beam dosering.
    1. Drej TEM glødetråden på mindst 20 min før kalibrering skal gøre det muligt at stabilisere for reproducerbare dosishastigheder; denne ventetid kan være forskellige alt efter TEM system og elektronkanon type.
      Bemærk: Valget microscopists bruger ofte dosering henviser til antallet af elektroner leveret pr. arealenhed pr. tidsenhed (e-/Å2s). Dette er kendt som fluxtæthed i Fællesskabets stråling kemi, og dosering er defineret som mængden af energi, der absorberes pr. arealenhed pr. tidsenhed. Siden beregning af mængden af energi, der absorberes af en prøve er vanskeligt for komplekse geometrier findes i flydende celler, og for at bevare sammenhængen med Fællesskabets TEM, vi vælger at bruge dosering til at henvise til elektroner pr. arealenhed pr. tidsenhed.
    2. Kondensere stråle til det mest kondenseret beløb, højeste dosering, brug for eksperimentet ved hjælp af tv-skærmen (figur 5A). Læs ud og Gem linse aktuelle for kondenseret strålen.
      Bemærk: For trin 3.3.2 til 3.3.5, en brugerdefineret digitale Mikrograf scriptet var skrevet der tager kontrol over kondensatoren system af TEM at kalibrere den anden kondensator (C2) linse aktuelle med leverede elektron dosering. Dette gør det muligt for forskeren reproducerbar indstille elektron dosering til vilkårlige værdier under eksperimentet.
    3. Spredt stråle til den mest spredning mængden, laveste dosering, brug for eksperimentet ved hjælp af tv-skærmen (figur 5B). Læs ud og gemme linsen aktuelle for spredning stråle.
    4. Opdele vifte af kondensator linse strømninger i 10 ligeligt fordelte værdier og indsamle billeder for hver kondensator linse værdi med CCD-kamera.
    5. Konvertere CCD tæller for at dosis sats ved hjælp af CCD følsomhed og forstørrelse kalibrering for hver linse aktuelle.
    6. Bruge data af elektron flux på forskellige linse strømme til at gøre en kalibreringskurve. Brug denne kalibreringskurven for resten af forsøget for at styre elektronstråle til den ønskede flux.
    7. Re-indsætte strålegangen prøven.
  4. Begynde at søge efter nanopartikler i flydende lommer samtidig holde dosering lav (normalt omkring 20 e-/Å2s).
    Bemærk: At holde dosering lav forhindrer ætsning mens du søger nanopartikler af nanopartikler.
  5. Når en nanopartikel er fundet i en flydende lomme, finjustere fokus på nanopartikel fastholdes en lav dosering.
    Bemærk: Afgøre, om en nanopartikel er i en flydende lomme kan være en vanskelig opgave, men tilstedeværelsen af bobler eller bevægelsen af partikler er ofte et godt tegn på en stabil flydende lomme. Nogle gange, i stedet for flydende ligner lommer en meget tætte gel med bobler bevæger sig meget langsomt. Disse situationer er forårsaget af fordampning af flydende potentielt på grund af ulukkede lommer eller revner i graphene. Det er ret nemt at skelne mellem geler med ingen bevægelse og flydende miljøer med bobler hurtigt bevæger sig og ændre form. Der kan være nogle fordampning under dannelsen af god flydende celle lommer, men relative koncentrationer mellem reaktanter forbliver konstant.
  6. Brug kalibrering kurve (Se trin 3.3 herfor) til at angive kondensator linse nuværende til den ønskede dosering (fig. 5 d).
    Bemærk: En in-house script bruges til at angive kondensator linse aktuelle og image erhvervelse parametre
  7. Begynde at indsamle en tidsserie af TEM billeder med metadata af dosis sats og tid frimærker er integreret i billedfilen.
  8. Partiklen er færdig ætsning, spredt stråle og begynder på udkig efter andre nanopartikler i de flydende lommer.
  9. Når en tilstrækkelig mængde af nanopartikel ætsning videoer er blevet indsamlet, fjerne TEM indehaveren fra TEM efter standardprocedurer TEM. Tage graphene flydende celle ud af TEM indehaveren.
    NOTE: Et typisk imaging session varer ca 2-3 h med ca. 30 videoer taget. Antallet af videoer med brugbare data afhænger af kvaliteten af lommer og type af ætsning eksperiment.

4. billedanalyse af TEM videoer ved hjælp af Computational Software

Bemærk: Da TEM videoer er 2-dimensional fremskrivninger af 3-dimensionelle figurer, omhyggelig billedanalyse skal gøres for at udtrække ætsning satser eller forme ændringer.

  1. Konvertere de indfødte DM3 video filer til en avi format ved hjælp af ImageJ og importerer avi videoer til beregningsmæssige software (Se Tabel af materialer).
  2. Analysere hver nanorod i hver ramme af videoen.
    1. Bestemme omridset af nanorod af tærskel billede (figur 7A).
      Bemærk: Den metalliske nanopartikler høj kontrast gør billedanalyse lettere. For at studere systemer med lavere kontrast, kan ekstra filtre være nødvendig før tærskel.
    2. Omridset af nanorod, bestemmes den overordnede og underordnede akse af den nærmeste fit ellipse (figur 7B).
      Bemærk: Indbygget billede analyse software til at bestemme den overordnede og underordnede akse antager form er en ellipse. For en nanorod, som ikke er en ellipse, bør disse værdier ikke anvendes, når dimensionering nanopartikler.
    3. Brug den største akse til at skære nanorod disposition i to halvdele (figur 7C).
    4. Med hver af disse halvdele, bestemme volumen og overfladearealet af figuren omfattede ved at dreje konturen omkring den største akse.
      Bemærk: Denne calculus metode er undertiden benævnt metoden for ringe. Denne analysemetode fungerer kun, hvis nanorod er symmetrisk omkring den største akse. At have to halvdele til at sammenligne diskenheder og overfladen områder giver nogle forsikring om, at nanorod er virkelig roterende symmetrisk.
  3. Efter uddrager den volumen og overfladearealet af nanorod for hver ramme af videoen, kompilere og fortolke data.
    Bemærk: Denne beskriver metode også giver mulighed for analyse af facetter af nanokrystaller med definerede figurer.

Representative Results

Billeder fra en repræsentativ video af en nanorod, ætsning under en elektron beam dosering af 800 e-/ Å2s er vist i figur 6. Løsningen kræver omkring 20 s beam belysning før nanorod begynder gennemgår oxidative ætsning. Efter nanorod begynder ætsning, forbliver satsen for fjernelse af atomer stabil mens nanorod også fastholder en konstant skærmformat. Nanorods typisk har ikke betydelig bevægelse under videoerne, som er i overensstemmelse med tidligere flydende celle TEM arbejde ved hjælp af nanopartikler af denne størrelse24. Da nanopartikler ikke Flyt meget, er boble generation og boble bevægelse som regel de bedste måder at afgøre, om en nanopartikel er i en flydende lomme. Som nanorod bliver lille, nanorod begynder roterende og bevæger sig ind og ud af fokusplanet, bekræfter, at nanorod er i en flydende miljø.

De mest almindelige fejl i graphene flydende celler er den manglende evne til at indkapsle stabil lommer af væske. Nogle gange kan dette føre til helt tørre lommer karakteriseret ved ingen bobler og ingen nanopartikel bevægelse eller ændring af størrelse. Derudover kan en lomme begynde med væske og bobler men senere tørre ud før nanopartikel helt ætser. Normalt for en god flydende celle, hver lomme er stabil for omkring 2-3 min. ved ætsning dosering og lomme tørring kun bliver et problem for store nanopartikler eller langsom ætsning processer. Sommetider, kan væske fordampe fra en lomme og efterlade en gel-lignende løsning med en meget høj saltkoncentration. Disse gels er normalt umiddelbart indlysende, når imaging på grund af den høje kontrast af løsningen og langsom ekstremt bevægelse af bobler og partikler. Data indsamlet i disse gel-lignende løsninger, der ikke kan have tillid til.

Efter at indsamle flydende celle TEM data, analyseres videoerne med nanopartikel ætsning. Mængder, arealer og facetter (hvis relevant) kan udvindes og vurderes yderligere (figur 7). En angivelse af en tørring lomme er betydelig opbremsning af satsen for ætsning over tid, så plotte volumen over tid kan være en effektiv metode til at kontrollere stabiliteten i lommen og pålideligheden af data. Andre suboptimale resultater omfatter ikke-symmetrisk ætsning vejledende inhomogene lomme indhold og uønsket udfældning af jern hydroxid arter fra jern chlorid TIPkan. Samlet set er den vigtigste nøgle til succes graphene flydende celler en stabil flydende miljø, der fører til reproducerbare nanocrystal dynamics over flere nanopartikler og flydende lommer.

Figure 1
Figur 1 . Skematisk af graphene flydende celle TEM teknik. (A) for at samle en graphene flydende celle, en dråbe af løsning er placeret på et graphene-belagt holey carbon TEM gitter. En anden graphene-belagt gitter er placeret på toppen af denne droplet til at danne en lomme. Bemærk, at dette billede ikke er skala og flydende dråben er ca. 33% for stor. (B) zoome i skematisk af en flydende lomme under TEM billeddannelse af guld nanorods. Denne tegneserie er også ikke at skalere. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 . Proces til fremstilling af graphene belagt TEM gitre (A) vask graphene på kobber brik i varm acetone (B) fjerne makroskopisk rynker af samkopiering graphene på kobber mellem to glas lysbilleder. En væv er placeret under graphene på kobber stykke så man ikke fold i nye rynker. (C) markedsføring amorf holey carbon TEM gitre graphene på kobber med amorf carbon side af TEM gitre rørende graphene. (D) flydende kobber/graphene/TEM gitre på natrium persulfat TIPkan. Dette fjerner kobber fra gitrene. (E) Graphene belagt TEM gitre efter ætsning af kobber. Løsningen er blå, og der er ingen kobber venstre på graphene-belagt gitre. For størrelse reference, glas petriskål diameter er ca. 6 cm og glas dias er 7,5 cm 2,5 cm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 . Proces for at gøre graphene flydende celler (A) to graphene-belagt TEM gitre forberedt på et glas dias med en kant skære ud af dem. Den kirurgisk skalpel brugt til at skære gitteret er på øverst højre side af billedet. (B) dråbe af indkapsling løsning på en graphene belagt gitter. Dråbe på den øverste gitter er den rigtige størrelse og har gjort en flot perle på graphene. Droplet på det nederste gitter har blødte igennem graphene, muligvis på grund af en revne i graphene. (C) anden graphene-belagt gitter anbragt oven på første gitter med dråbe af løsning. Denne graphene flydende celle er nu klar til at indlæse i en TEM. For størrelse reference, glas dias er 7,5 cm 2,5 cm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 . Indlæse graphene flydende celle i standard enkelt tilt TEM indehaveren. Graphene flydende celle passer i en standard single-tilt TEM indehaveren på samme måde en normal TEM gitteret passer i holderen. For størrelse reference, TEM grid har en diameter på 3 mm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 . TEM beam kontrol. (A) kondenseret elektronstråle til dosis sats kalibrering vises ved hjælp af fluorescerende skærmen. (B) udvidet elektronstråle til dosis sats kalibrering vises ved hjælp af fluorescerende skærmen. Intensitet falder som elektroner pr. areal pr. gang falde, hvilket er grunden til elektronstrålen er meget svag. (C) kalibreringskurven vedrører kondensator linse nuværende electron-beam dosering. Denne kalibreringskurven bruges til at kontrollere stråle dosering under imaging. (D) parametre bruges når du samler TEM videoer af nanopartikler i graphene flydende celler. Specifikke værdier, der bruges for hver parameter kan ændres afhængigt af materialet er afbildet og beslutningen behov. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6 . Guld nanorod ætsning i en graphene flydende celle lomme. Rammer af en repræsentativ TEM video af en guld nanorod ætsning under dosering af 800 e-/ Å2s. Efter en indledende periode på ingen ætsning ætser nanorod med en konstant hastighed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7 . Metode til at analysere billeder af video (A) skitserer nanorod ved hjælp af tærskel i billed analyse software. (Se Tabel af materialer) Dette adskiller nanopartikel fra baggrunden og giver en form for kvantitativ analyse. (B) fastlæggelse af de overordnede og underordnede akser i nanorod. (C) uddrager hver halvdelen af 2-D kontur skåret langs den største akse. Brug disse konturer, rekonstruere 3D-figuren ved at dreje kontur omkring x-aksen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Graphene flydende celle elektronmikroskopi kan give mekanistiske information om nanocrystal vækst og ætsning med stor rumlig opløsning, men da gøre graphene flydende celler kan være vanskelige og delikate, teknikken kræver opmærksomhed for detaljer til udtrække brugbare data. Selv efter omfattende praksis at gøre graphene flydende celler, kun omkring en halv til en fjerdedel af gjort flydende celler med held indkapsle den flydende løsning. Den kritiske trin i danner flydende celler er placere den anden gitter oven på dråbe af væske. Fælles fejl omfatte at få pincet fast mellem de to gitre, droppe den anden gitter for langt off-center, og start med et slipværktøj, som er for stor. Da samling af graphene flydende celler er delikat og kræver finmotorik, tager det normalt praksis for med held at de flydende lommer. På grund af udgiften af graphene-belagt TEM gitre anbefales det, at nye graphene flydende celle brugere første praksis flydende cellen beslutningsproces på traditionelle kobber, amorf carbon TEM gitre til at spare penge.

Fastslå årsagerne til fiasko for flydende celler kan være udfordrende fordi en forsker ikke kan vide, hvis hvert skridt har været en succes indtil imaging prøven i slutningen, og fejltagelser, ligesom skrabe graphene, kan gå ubemærket hen. Den nemmeste fejl at identificere er en forkert forsamling fordi forskeren vil straks se væske siver ud af cellen graphene flydende. Problemer med at gøre graphene på kobber gitre, ligesom krakning af graphene, kan være sværere at lokalisere. Kvaliteten af graphene kan kontrolleres både før og efter belægning TEM gitrene ved hjælp af Raman spektroskopi, men graphene er normalt ubrugelig efter denne test. Desuden er det vigtigt at bruge direkte overførsel graphene fordi graphene bliver sat sammen to ansigter skal være ren til korrekt danne en forsegling gennem Van der Waals kræfter. Gør graphene-belagt gitre gennem polymer overførselsmetoder kan forlade polymer rest på siden af den graphene, der forventes at obligation sammen. Hvis den korrekte procedure følges ved hjælp af de korrekte TEM gitre, er manglende succes med graphene flydende celle normalt på grund af forkert håndtering af graphene og gitre under samling og fabrikation.

Graphene flydende celle TEM forskud eksisterende flydende celle TEM teknikker ved hjælp af en meget tyndere indkapsling materiale, der kan bruges i enhver traditionelle TEM indehaver, gør høj opløsning og facet bane tracking eksperimenter meget lettere. Med opløsningen af kommercielle silicon nitride membran flydende celler, ville meget af den facet og kinetic oplysninger, der kan nås ved ætsning nanokrystaller i cellen graphene flydende gå tabt. Graphene flydende celle TEM eksperimenter kan også udføres på eksisterende enkelt vippe TEM indehavere bevirke, at behovet for dyre nye specialiserede indehavere. Yderligere, graphene flydende celle kan puttes i enhver indehaver, der accepterer standard TEM gitter prøver giver mulighed for flydende celle forsøg skal udføres i avanceret indehavere (varme, dobbelt tilt, køling, cryo, cathodoluminescence) hvor silicon nitride væske celler er ikke udformet. Graphene flydende celler udgør desuden ikke risikoen for bryder sammen vakuum i kolonnen TEM, hvis lommer briste som andre flydende celle TEM teknikker. Selvom graphene flydende celle ikke er endnu en allestedsnærværende teknik i nanocrystal felter, vil dens brugervenlighed og rumlige opløsning gøre det meget mere udbredt i fremtiden.

Selv med sine mange fordele har graphene flydende celle TEM begrænsninger på typerne af forsøg, der kan udføres. Nogle væske fordampe som lommer form, så det er svært at nøjagtigt bestemme koncentrationen af arter i løsning, endda uden at overveje elektron beam effekter. Graphene flydende celler har også tilfældige størrelser, højder og fordelinger af små lommer, så silicon nitride flow celler har fordel af mere kvantificerbare pre beam koncentrationer og store, ensartede flydende lag. Som beskrevet i dette arbejde, kan kun forudindlæste prøver ses ved hjælp af graphene flydende celle i TEM, så det ikke er muligt at flyde i andre løsninger til at udløse kemiske reaktioner. Arternes radiolysis genereret af samspillet mellem elektronstrålen med den flydende løsning er den eneste udløser, der kan bruges til at starte en reaktion. Selv om ikke bevist endnu, kunne termisk indviede processer udløses i graphene flydende celler ved hjælp af standard varme indehavere. Elektron beam-induceret radiolysis virkninger er stadig ikke fuldt forstået og kan være svære at styre. Forskere har udviklet kinetiske modeller for at bestemme indholdet af flydende celle lommer efter stråle interaktion31,32, men deres nøjagtighed er begrænset af antallet af reaktioner inkluderet i modellen og enhver ukendt koncentration ændringer som følge af tørring. Komplekse indledende lomme indholdet med mange krydsreagerende arter som FeCl3, Tris Buffer og endda graphene30, kan være svært at forstår fuldt ud ved hjælp af en kinetiske model. En anden ulempe ved flydende celle Elektron Mikroskopi er, at det er vanskeligt at karakterisere sammensætningen af krystaller dannes under dynamiske processer. For eksempel, i vækst eksperimenter af stand systemer, kan det være umuligt at skelne hvad faser eller arter vokser, hvis de nye nanokrystaller er amorf eller ikke på zone akse. Dette er en anden grund hvorfor ætsning præformerede nanokrystaller med en kendt sammensætning, sidder på en kendt zone akse er ønskeligt. Endelig er der stadig nogle argumenter at stråle-induceret reaktioner i en graphene flydende celle ikke repræsenterer betingelserne af ex situ reaktioner i en kolbe.

Fremtidige graphene flydende celle eksperimenter vil bidrage til at afhjælpe nogle af disse bekymringer, mens også ved hjælp af nye TEM forskud til yderligere sonde de underliggende mysterier af nanokrystaller. Korrelationsmaalinger ex situ nanocrystal syntese og ætsning eksperimenter vil være kritisk i bekræfter de mekanismer, der er set i flydende celle TEM eksperimenter. Også, forskere har påbegyndt arbejdet på at tilføje flow kapacitet til graphene flydende celle TEM35 og at gøre mere kontrolleret lommer36 herunder arrays af graphene flydende celler ved hjælp af lithographically rede huller37. Fremskridt i elektronmikroskopi opløsning og kamera hastighed vil gøre graphene flydende celle yderligere stand til at studere atomare dynamics under nanocrystal transformationer. Indpakning små lommer af væske i en atomically tyndt materiale som graphene til brug ved elektronmikroskopi har en lang række potentielle applikationer og vil uden tvivl blive et dagligt syn i nanoscience forskning i fremtiden.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Arbejdet blev støttet af amerikanske Department of Energy, Office of Science, Office of grundlæggende energi Sciences, materialer videnskaber og Engineering Division, under Kontraktnr. DE-AC02-05-CH11231 inden for fysisk kemi af 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

Kemi spørgsmålet 135 Graphene flydende celle transmissions elektronmikroskopi i situ transmissions elektronmikroskopi nanokrystaller oxidativ ætsning guld nanorods enkelt nanopartikel eksperimenter
Bruger Graphene flydende celle Transmission elektronmikroskopi at studere <em>in Situ</em> Nanocrystal ætsning
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