Chemistry

שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים של גראפן נוזל התא ללמוד בחיי עיר Nanocrystal תחריט

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

גרפן נוזל התא מיקרוסקופ ניתן להתבונן nanocrystal dynamics בסביבה נוזלית עם רזולוציה מרחבית גדולה יותר מאשר טכניקות אחרות של מיקרוסקופ אלקטרונים תא נוזלי. תחריט premade nanocrystals ובעקבות צורתם באמצעות גראפן נוזלי תאים במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים יכולות להניב מידע מכניסטית חשוב על ננו-חלקיק המרות.

Abstract

גרפן נוזל התא מיקרוסקופ מספק את היכולת להתבונן הננומטרי המרות כימי, דינמיקה כמו התגובות מתרחשות בסביבות נוזלי. כתב יד זה מתאר את התהליך להכנת גרפן תאים נוזלי דרך הדוגמה של גראפן תא נוזלי במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) ניסויים של תחריט nanocrystal זהב. פרוטוקול להכנת גרפן נוזלי תאים כולל ציפוי זהב, הבנת פחמן TEM רשתות עם אדים כימיים התצהיר גראפן ולאחר מכן באמצעות רשתות מצופים גראפן האלה כדי לכמס נוזל בין שני משטחים גרפן. הכיסים של נוזל עם nanomaterial של עניין, הם צילמו ב המיקרוסקופ האלקטרוני כדי לראות הדינמיקה של התהליך ננו, במקרה זה את החריטה חמצוני של nanorods זהב. על ידי שליטה הקצב במינון קרן אלקטרונים, אשר מודולציה המין איכול בתא נוזלי, המנגנון הבסיסי של מה אטומים מוסרים מן nanocrystals ל טופס היבטים שונים וצורות יכול להיות טוב יותר מובן. גרפן נוזלי תא TEM יש את היתרונות של רזולוציה מרחבית גבוהה, תאימות עם מחזיקי TEM מסורתיים, עלויות הזנק נמוך עבור קבוצות מחקר. מגבלות הנוכחי כוללות הכנת הדוגמא עדין, חוסר יכולת זרימה, והסתמכות על מוצרי radiolysis שנוצרו על-ידי קרן אלקטרונים כדי לגרום לתגובות. להמשך פיתוח, בקרה, תא נוזלי גראפן עלול להפוך טכניקה בכל מקום ננו וביולוגיה, הוא כבר נמצא בשימוש כדי לחקור מנגנונים המסדירים צמיחה, תחריט ותהליכים הרכבה עצמית של ננו-חומרים בנוזל רמת חלקיק יחיד.

Introduction

מכאנית ופיקודית סינתזה nanocrystals¹ והרכבה חלקיקים לתוך מבנים גדולים²^,³ נדרשת הבנה של המנגנונים הבסיסיים וסמכות כמה אטומים, חלקיקים אינטראקציה לאגד . יחד. באופן אידיאלי, מחקרים של תהליכים אלה ננו יבוצע בסביבתם נוזלי מקורית עם הרזולוציה המרחבית המתאימים הצורך להתבונן בתופעה של עניין, אבל דרישות אלה מציבים אתגרים בשל אורך ננומטר סולם שבו פועלות מערכות אלה. חוקרים יש זמן רצוי לנצל את הרזולוציה המרחבית של מיקרוסקופ אלקטרונים כדי התמונה תהליכים אלה, אך ואקום גבוה של העמודה מיקרוסקופ אלקטרונים דורש ומגעים פתרון נוזלי⁴. ניסויים מוקדם של מיקרוסקופ אלקטרונים תא נוזלי אנקפסולציה נוזל בין שני סיליקון ניטריד ממברנות⁵^,⁶^,⁷^,⁸, ושיטה זו הפכה זמינים מסחרית טכניקת לימוד תהליכי הננומטרי דינמי.

הסיליקון הנמכרים ניטריד תא נוזלי TEM מחזיקי סיפקו את הרזולוציה הכרחי לראות ולהבין את מגוון של תופעות מענינות ב¹¹^,¹² ¹⁰^,⁹^,ננו ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶. מחזיקי TEM חלק מסחרי תא נוזלי יש יכולות נוספות כגון חימום, זרימה, ולהרחיב חיבורי חשמל זה יותר התחום של תהליכים ננו יכול ייחקרו. עם זאת, עם כל היכולות הללו, מערכות מסחריות ממוטבים לא סביב להשגת הרזולוציה המרחבית הגבוהה ביותר. עבור חוקרים צריכים משופרות ברזולוציה המרחבית, להקטין את עובי חלון, להקטין את עובי הנוזל הם שני מסלולים פוטנציאל פחות פיזור קרן של אלקטרונים, רזולוציה טובה יותר¹⁷. כמה קבוצות המשתמשים התאים סיליקון ניטריד נוזלי לפברק חלונות משלהם אשר מניב שליטה רבה יותר החלון ואת נוזלי עוביים. ¹⁸ פיזור ירידה של תאים נוזלי אלה תוצרת בית אפשרה מיקרוסקופ אלקטרונים מחקרים עם רזולוציה מרחבית רבתי כולל ברזולוציה אטומית מחקרים¹⁹^,²⁰^,²¹.

מאז עובי החומר encapsulating היא היבט אחד שמשפיע לרעה את הרזולוציה המרחבית של הניסויים נוזל התא, חומרים מאגרי רזה, נמוכה-Z כמו גראפן יהיה אידיאלי לבצע חומרים²²^, ²³. יריעות גרפן הם עדיין חזק מספיק. כדי להגן על הכיסים נוזלי ההבדל בלחץ של העמודה. בנוסף, הכיסים תא נוזלי גראפן מכילים בדרך כלל שכבות דק יותר של נוזלים, עוד שיפור הרזולוציה המרחבית השגה. תהליכים רבים הננומטרי מעניין נחקרו עם תאים נוזלי גרפן, כולל מחקרים הבאים nanoparticle היבט מסלולים ואת הדינמיקה ננו-חלקיק ברזולוציה אטומית²³^,²⁴^,²⁵²⁶^, ^,²⁷. יתרון לא מכוונות של הטכניקה תא נוזלי גרפן הוא כי זו רזולוציה מרחבית גבוהה יכולה להיות מושגת ללא צורך הרכישה של מחזיק TEM שונים או סיליקון מיוחדות פבריקציה נוספת. ניסויים באמצעות סיליקון ניטריד תאים להשיג ברזולוציה גבוהה גם נדרש חלקיקים גדולים מורכב מאטומים כבד, ואילו הרזולוציה המופקים באמצעות גראפן נוזל התא יכול לספק ברזולוציה אטומית של חלקיקים תת-2 ננומטר²⁵. בנוסף, לתא נוזלי גראפן פתחה הזדמנויות ללמוד דגימות ביולוגיות עם מיקרוסקופ אלקטרונים בשל אופי גמיש גראפן עבור כימוס²⁸^,²⁹ ואת היכולת של גראפן כדי להמתיק חלק מן ההשפעות המזיקות של האלקטרון לשגר³⁰. בשל יתרונות אלו, גרפן נוזל התא מיקרוסקופ יש פוטנציאל להיות טכניקה סטנדרטית בקהילה הננו פעם מספר רב יותר של החוקרים להבין טוב יותר אם טכניקה זו יכולה לעזור המחקר שלהם, ואיך לעשות טכניקה זו.

חוקרים בכימי, nanomaterial, ביולוגית ושדות אחרים להנות והרזולוציה המרחבית של המרות בחיי עיר יכולים להפיק תועלת העסקת גראפן נוזל התא מיקרוסקופ אלקטרונים טכניקה. שיטה זו בחיי עיר הוא יקר במיוחד עבור תהליכים ללא שיווי משקל המחייבים להדמיה במהלך השינוי. חסרון אחד משמעותי של טכניקות TEM תא נוזלי הוא הדור של מינים radiolysis על ידי אלקטרון סימטריה קרן³¹, אשר יכול לגרום שינויים לא רצויים בדגימות עדין. חוקרים פיתחו מודלים כדי לנסות לכמת את הכימיה מונחה קרן³¹^,³², אסטרטגיות שפותחו כדי לצמצם תופעות אלה,³⁰^,³². גרפן נוזלי תא TEM יש אתגר נוסף להיות שביר וקשה לעיתים קרובות להפוך, במיוחד עבור חדש לחוקרים הטכניקה. מטרת המאמר הזה היא לחלוק את הפרטים של איך גראפן נוזלי תא TEM ניסויים יכול להתבצע (איור 1), באמצעות דוגמה ניסוי התבוננות חלקיק יחיד תחריט של nanocrystals, בתקווה להראות שתא נוזלי גרפן ניסויים אפשריים עבור כמעט כל קבוצה עם גישה מיקרוסקופ אלקטרוני. הפרוטוקול יכסה גראפן ציפוי של רשתות, היווצרות נוזל התא, TEM שימוש עבור תא נוזלי גראפן תצריב ניסויים, ודרכי ניתוח של התמונה. שלבים קריטיים בהפיכת התאים נוזלי כגון גודל ה-droplet אנקפסולציה, מדוקדקת של תוכן פתרון נוזלי, ואת השימוש רק העברה ישירה גראפן יכוסה עצות נוספות כיצד להימנע מחזרות על הסכנות שכרוכות בזה. חוקרים קודמים. גרפן נוזלי תא TEM המתעוררים הטכניקה למחקר ננו, מאמר זה יאפשר המתחרים החדשים להתחיל טכניקה זו.

Protocol

1. ביצוע רשתות מצופים גראפן TEM

לגזור בערך 2 ס מ² חתיכת premade גראפן-על-נחושת (ראה טבלה של חומרים) מה שמתאים בסביבות 6 עד 8 TEM רשתות.
הערה: באמצעות 3 - 5-השכבה גראפן במקום שכבה אחת גראפן מכמס כיסים נוזלי עם שיעור הצלחה גבוה יותר מבלי לאבד את הרזולוציה. מאז גרפן הוא חומר מאגרי רזה, נמוכה-Z, רוב רזולוציה ההפסד הוא של עובי הנוזל עבור תאים נוזלי גראפן.
נקה הגרפן באמצעות ושטוף אצטון (איור 2 א).
הערה: שלב זה נועד להסיר כל PMMA שיורית [poly(methyl methacrylate)] שמאל במשטח גרפן במהלך תהליך התצהיר. אם המשתמש הוא בטוח שלהם גרפן נקי, השלב זה לא הכרחי.
1. למקם את היצירה גראפן-על-נחושת זכוכית פטרי מילוי עם אצטון.
  הערה: אצטון משמש כי PMMA מתמוסס ב אצטון.
2. מחממים בעדינות את הפתרון אצטון (~ 50 ° C) במשך 5 דקות, מתערבל הפתרון מעת לעת.
  הערה: הקפד לצפות את אצטון ואת הטמפרטורה כדי למנוע שריפה. זה צריך להיעשות בשכונה fume.
3. להסיר את החתיכה גראפן-על-נחושת לשטוף את אצטון עם פינצטה והחלף אצטון אצטון חדש, נקי.
  הערה: יש להיזהר לא לגרד או אחרת נזק המשטח גרפן עם הפינצטה.
4. חזור על תהליך הכביסה סך של 3 פעמים.
5. תן גראפן-על-נחושת air-dry ביסודיות לפני לשלב הבא.
חלקה את היצירה גראפן-על-נחושת כדי להסיר את כל הקמטים מאקרוסקופית (איור 2B).
הערה: תהליך החלקת זה מבוצע כדי להבטיח כי הרשתות foils-TEM תמיכה מחורר (ראה את הטבלה של חומרים) מסוגל להתחבר אל פני השטח גראפן כראוי. בליטות רוחביים בנחושת גראפן-על-מקשה לשמור על קשר טוב.
1. קח שתי שקופיות זכוכית נקייה ומניחים מגבון מקופל (ראה טבלה של חומרים) בשקופית הזכוכית התחתונה. על המחיקה, במקום החלק גראפן-על-נחושת. לבסוף, במקום השקופית השניה זכוכית על העליונה.
  הערה: המקום החלק גראפן-על-נחושת עם הצד גראפן למעלה (שקופיות זכוכית נוגע ללב) כדי למנוע גירוד של המחיקה רקמות. הרקמה מקופל משמש בהדרגה לדחוף החוצה את הקמטים ולמנוע מתקפל לתוך קמטים חדשים.
2. תלחץ על השקופית העליונה, החלקת בהדרגה את כל הקמטים מבטיחך גראפן-על-נחושת. להקטין את מספר קיפולים ברקמה וחזור על התהליך הקשה. להמשיך את התהליך עד דחוף הסופי בין שקופיות זכוכית שני עם ניגוב אין רקמות.
. תשכבי TEM רשתות על הכלי גראפן-על-נחושת (איור 2C)
1. המקום פחמן אמורפי חור לתמוך רשתות רדיד-TEM (ראה טבלה של חומרים) למטה על הגרפן עם פחמן אמורפי בקשר עם הגרפן.
  הערה: היזהר לא לכופף או עיקום TEM רשתות בעת לאסוף אותם עם הפינצטה. רשתות TEM בנט לא לאגד כראוי הגרפן. לאסוף את הרשתות, בקצה הרשת מונעת דפורמציה של הרשתות. . הנה, רשתות TEM זהב משמשים כדי להימנע תצריב הרשתות במהלך השלב מסיר את הנחושת גראפן---מנחושת.
2. במקום כמה טיפות אלכוהול איזופרופיל על הרשתות.
  הערה: אם כל רשתות להיות חופף, בעדינות להעביר אותן עם קצה פינצטה אחרי ששמתי אלכוהול איזופרופיל על הרשתות. יש להיזהר לא לגרום נזק המשטח גראפן.
3. תן יבש עבור 2 + h כדי להפוך רשתות בטוח הם ערובה כראוי. תהליך הייבוש זה מביא פחמן אמורפי חור לתוך קשר טוב יותר עם הגרפן.
  הערה: כדי לבדוק אם הרשתות יש דבקה הגרפן, בעדינות להרים את החלק של גראפן-על-נחושת ולהפוך אותו הפוך. אם כוח הכבידה אינו מסיר את הרשתות, הם צריך להיות קשר כזה.
לחרוט את הנחושת באמצעות פתרון persulfate נתרן (איור דו-ממדי).
1. בצע פתרון עם 1 גר' נתרן persulfate ' 10 מ"ל מים יונים.
2. בזהירות באמצעות פינצטה, המקום החלק גראפן-על-נחושת על הפתרון persulfate נתרן עם הצד נחושת למטה. תן את הבמה קטע על הפתרון persulfate נתרן (איור דו-ממדי).
3. שמור את הפתרון בעזרת רשתות מצופים גראפן יושב בן לילה. שימו לב כי הפתרון יהיה כחול כמו הנחושת חורט, ולא יהיו שום נחושת גלוי מאחורי הסדין גראפן לאחר איכול סיום (איור 2E).
לשטוף את רשתות מרחנו persulfate סודיום.
1. הסר את רשתות צף הפתרון ולמקם אותם מעל נקי, יונים מים (ראה טבלה של חומרים עבור מסנן) בצלוחית השנייה.
  הערה: השיטה הקלה ביותר כדי להעביר את הרשתות כרוך באמצעות זכוכית כדי לאסוף את הרשתות, אז הצבתם למטה בצלוחית הפטרי השני מלא במים. כמה רשתות תיפול לתחתית הפטרי במהלך תהליך ההעברה. . זה בדרך כלל סימן כי הגרפן ברשת הוא סדוק או אחרת פגום...
2. חזור על תהליך זה 3 פעמים כדי להסיר שאריות persulfate נתרן כל הרשתות מצופים גראפן.
3. להרים את הרשתות עם פינצטה, המקום רשתות גראפן-בצד על נייר סינון, תנו להן להתייבש.
  הערה: ההעברה הסופית לשטוף את המים יכול להיות קשה, כמו הרשתות קרובות לדבוק הפינצטה בשל כוחות נימי מכל שאריות מים.

2. ביצוע תא נוזלי כיסים

לקחת שתי רשתות TEM מצופים גראפן ומניחים בצד גראפן למעלה על משטח זכוכית. בעזרת סכין קטנה באזמל כירורגי, חתוך קצה אחד מצופה גראפן TEM הרשתות, כ 1/4 עד 1/8 של האזור של הרשת (איור 3 א).
הערה: חיתוך באחת הרשתות המשוערות להביא הגרפן על שתי הרשתות במגע קרוב יותר כדי לספק יותר אינטראקציה גראפן-גראפן טופס לכיסים.
הכינו את הפתרון כימוס.
הערה: הפתרון הוא ספציפי nanocrystal תצריב הניסוי.
1. הופך טריס בופר HCl במים יונים-ריכוז של בין 10-100 מ מ.
  הערה: מצאנו כי להכנת ננו-חלקיק מתכתי מימית פתרונות, מאגר טריס ש-hcl מוביל שיעור הצלחה גבוה יותר של כיסים יציבה למרות נדרשים מחקרים נוספים כדי להבין למה טריס מאגר HCl מסייעת להפוך את הכיסים יציב. באמצעות טריס מאגר הבסיס או אין מאגר טריס שניהם נראים לי שיעורי הצלחה נמוכים בהרבה של היווצרות כיס במקרה זה. כל הממס ודגימת סביר ידרוש אופטימיזציה לאתר תנאים אשר יוצרים יציב כיסים תוך כדי לא לשבש את הכימיה הנלמדים. סקר קצר של הספרות מראה הצלחה עם אורתופדיה-dichlorobenzene/oleylamine (9:1 יחס),²³ 0.5 x טריס-בוראט-EDTA (TBE) ו-200 מ מ NaCl פתרון,³³ , מימית 0.15 מ' NaCl פתרון³⁰ , כמו גם המאגר טריס מימית HCl מערכת המוצג כאן.
2. להפוך 40 מ מ FeCl₃ פתרון פתרון של מים יונים עם µL 1.8 של HCl לכל מ ל מים.
  הערה: FeCl₃ הוא etchant עבור ניסוי זה תחריט. ניסויים אחרים יכולים להוסיף פתרונות שונים בהתאם הניסוי המבוצעת.
3. להפוך את nanorods זהב ולרכז את הדגימה nanorod לאחר ניקוי¹^,³⁴.
4. לערבב 0.15 מ של 0.01-0.1 מ מ טריס מאגר HCl, 0.1 מ"ל של 40 מ מ FeCl₃ ב- HCl, ו- µL 10 של nanorods.
המקום ~0.5 µL droplet של פתרון כימוס ברשת-קאט מצופים גראפן TEM. השתמש פינצטה להחזיק את הקצה של הרשת TEM תוך הצבת ה-droplet כך כוחות נימי לא לקלוט את הרשת TEM (איור 3B).
הערה: הקפד להפוך את ה-droplet קטן ככל האפשר ולמקם אותו בתור קרוב למרכז של רשת ככל האפשר.
במהירות ובזהירות מקום הרשת TEM מצופים גרפן עם הפינה שנגזרו על גבי ה-droplet; המטרה היא לקיים את הרשת השנייה בא לנוח על גבי הרשת הראשונה עם נוזל לא נהיה לחוץ (איור 3C).
הערה: יש לרשת השנייה כבר הכניסו פינצטה עצמית הסגירה יכולים להפוך תהליך זה מהיר וקל. . זה ניתן לטעון השלב הבעייתי של תהליך היווצרות התא נוזלי עם כשלים פוטנציאליים רבים יכולים להתרחש... הגדרת הרשת העליון למטה בעת הסרת את הפינצטה הוא אתגר כמו הפינצטה יכול להיתקע בין שתי הרשתות. באופן כללי, הצבת קצה אחד של הרשת TEM העליון למטה, ואז בהדרגה בשחרור של הרשת פועלת באופן הטוב ביותר. שים לב כי אם נוזלי נתפסת על השקופית זכוכית, ואז הכיסים כנראה לא לאטום כראוי.
המתן 5 דקות כדי לתת גראפן תא נוזלי כיסים טופס.
הערה: יש אידוי של הנוזל עלול להתרחש כפי הכיסים יוצרים, אך ברגע אטם הרמטי נוצר, אין אובדן נוזלים נוספים סביר. הריכוזים היחסי של כל מין בפתרון צריכים להישאר קבוע.
להביא את הדגימה TEM עבור הדמיה.
הערה: משך הזמן להפריש עבור איטום משתנה חוקר חוקר. עבור תצריב ניסויים, פחות זמן לפני שמכניסים את התא נוזלי כדי TEM רצוי להימנע מראש תחריט.

3. טעינת והדמיה גראפן נוזל התא

הערה: הפעולה של המיקרוסקופ האלקטרוני שידור בעקבות הליכים סטנדרטיים למצוא במדריך למשתמש. כל TEM יהיו נהלים יישורים שונים.

המקום התא נוזלי גראפן יחיד TEM מסורתי להטות מחזיק (איור 4).
הערה: מחזיקי סטנדרטיים אחרים כגון כפול להטות מחזיקי או חימום מחזיקי יכול לשמש גם כן. מחזיקי המשתמשות מנגנון דמוי בורג כדי לאבטח את הרשת TEM רשאי הוא להטיל כוח ההטיה ההורס את התא גראפן נוזלי.
לטעון המחזיק TEM לתוך העמודה TEM.
הערה: כיוון גראפן נוזל התא מכיל נפח קטן של נוזל עם אין מאגר יש כיסים נפרדים, יש אין צורך לבדוק בקפדנות לאיתור נזילות כמו ניסויים נוזלי לתא ניטריד סיליקון. גם אם כיס תא נוזלי גראפן פרץ, רק כמות קטנה של נוזל הוא שוחרר, ובכך לא יתרסק מערכת ואקום TEM.
להשתמש חלקיקי פחמן אמורפי במדגם כהלכה ליישר את קרן TEM (הטיה האקדח, מעבה צמצם יישור ו מעבה stigmation), תמונה (Z-גובה התאמה stigmation אובייקטיבי, יישור מרכז הסיבוב, סטייה מתקן כוונון אם הדבר ישים). לאחר מכן להסיר את המחזיק הנתיב של קרן, כיול אלומת אלקטרונים מינון.
1. הפעל את הסיב TEM לפחות 20 דקות לפני כיול כדי לאפשר לה לייצב לתעריפים במינון לשחזור; זמן ההמתנה הזה עשוי להיות שונה בהתאם המערכת TEM והסוג תותח אלקטרונים.
  הערה: הבחירות microscopists מרבים להשתמש מינון כדי להפנות מספר האלקטרונים מועברים ליחידת שטח ליחידת זמן (e^–/Å²s). בקהילה כימיה קרינה, זו ידועה בשם צפיפות השטף, מינון מוגדר כמות האנרגיה נספג ליחידת שטח ליחידת זמן. מאז חישוב כמות האנרגיה הנבלעת מדגם קשה לסימולציה נמצאו בתאים נוזלי, כדי לשמור על עקביות עם הקהילה TEM, אנו בוחרים להשתמש מינון להפניה אלקטרונים ליחידת שטח ליחידת זמן.
2. לדחוס את הקרן לכמות מצומצמת ביותר, שיעור במינון הגבוה, לצורך הניסוי באמצעות צפייה במסך (איור 5A). קרא ושמור עדשה הנוכחי עבור קרן מרוכז.
  הערה: לקבלת צעדים 3.3.2 ל 3.3.5, קובץ script מותאם אישית micrograph דיגיטלי נכתב אשר מקבל שליטה של מערכת מעבה TEM כדי לכייל את העדשה מעבה (C2) השני הנוכחי עם הקצב במינון אלקטרון ומסר. דבר זה מאפשר החוקר reproducibly לקבוע את מינון אלקטרון לערכים שרירותי במהלך הניסוי.
3. מורחים את הקרן לכמות רוב כפולה, קצב המינון הנמוך, לצורך הניסוי באמצעות צפייה במסך (איור 5B). קרא את העדשה הנוכחי עבור קרן כפולה ושמור.
4. לחלק את מגוון הזרמים עדשה מעבה 10 באותה מידה ומייצגות ערכים ולאסוף תמונות עבור כל ערך עדשה מעבה עם מצלמת CCD.
5. להמיר CCD ספירות למינון קצב באמצעות כיול רגישות והגדלה של מצלמות עבור כל עדשה הנוכחי.
6. להשתמש נתונים של אלקטרון השטף זרמים שונים העדשה לבצע עקומת כיול. השתמש עקום כיול זה לשארית ימי הניסוי כדי לשלוט כשקרן האלקטרונים כדי שטף הרצוי.
7. הכנס מחדש את הדגימה אל נתיב קרן.
מתחילים בחיפוש אחר חלקיקים בכיסים נוזלי תוך שמירה על מינון נמוך (בדרך כלל סביב 20 e^–/Å²s).
הערה: שמירה על מינון נמוך מונע חלקיקים חריטה תוך חיפוש חלקיקים.
כאשר nanoparticle נמצא בכיס נוזלי, כוון ההתמקדות ננו-חלקיק תוך שמירה על קצב במינון נמוך.
הערה: קביעת אם ננו-חלקיק הוא בכיס נוזלי יכול להיות מסובך, אבל הנוכחות של בועות או תנועה של חלקיקים לעתים קרובות סימן כיס נוזלי יציב. לפעמים, במקום נוזל, הכיסים דומים מאוד צפוף ג'ל עם בועות לאט לאט מאוד. מצבים אלה נגרמים על ידי אידוי של הנוזל פוטנציאלי עקב כיסים יפתחו או סדקים הגרפן. קל למדי להבחין בין ג'לים עם סביבות אין תנועה של נוזל עם בועות במהירות העברה ושינוי צורה. ייתכנו כמה התאיידות במהלך היווצרות כיסים טוב תא נוזלי, אבל יחסית ריכוזים בין המגיבים נשאר קבוע.
שימוש הכיול עקומת (ראה שלב 3.3 בשביל זה) כדי להגדיר את העדשה מעבה הנוכחי עבור שיעור המינון הרצוי (איור 5D).
הערה: קובץ script ללא צורך במיקור חוץ משמש כדי להגדיר מעבה עדשה הנוכחי ופרמטרים רכישת התמונה
בגין איסוף סדרת זמן TEM תמונות עם מטא-נתונים של קצב במינון וחותמות זמן מוטבע בקובץ התמונה.
אחרי החלקיק סיים לתחריט, להפיץ את הקורה ולהתחיל לחפש אחר חלקיקים בכיסים נוזלי.
כאשר כמות מספקת של ננו-חלקיק תצריב קטעי וידאו שנאסף, להסיר את מחזיק TEM מטאם בעקבות נהלי TEM. קח התא נוזלי גראפן מחוץ מחזיק TEM.
הערה: מפגש הדמיה טיפוסי נמשך בסביבות 2-3 h כ-30 קטעי וידאו שצולמו. מספר קטעי וידאו עם נתונים שמיש תלויה האיכות של הכיסים וסוג של תחריט הניסוי.

4. תמונות ניתוח קטעי TEM באמצעות תוכנת חישובית

הערה: מאז TEM סרטונים תחזיות 2-ממדי של צורות תלת-ממדי, ניתוח תמונות זהיר צריך להיעשות כדי לחלץ שיעורי איכול או שינויי צורה.

להמיר את DM3 מקורי וידאו לקבצי avi לעצב באמצעות ImageJ ולייבא את קטעי וידאו avi לתוך תוכנת חישובית (ראה טבלה של חומרים).
לנתח כל nanorod בכל מסגרת של הוידאו.
1. לקבוע את קווי המתאר של nanorod על ידי קביעת סף התמונה (איור 7 א).
  הערה: חדות גבוהה של חלקיקים מתכתיים מקלה על ניתוח תמונות. לימוד מערכות עם ניגודיות נמוכה יותר, מסננים נוספים עשוי להיות נחוץ לפני קביעת סף.
2. מן קו המתאר של nanorod, לקבוע את הציר ראשיות ומשניות של האליפסה בכושר הקרוב (איור 7 ב).
  הערה: התוכנה ניתוח מובנים תמונה כדי לקבוע את הציר ראשיות ומשניות ההנחה היא שהצורה היא אליפסה. עבור nanorod, אשר אינה אליפסה, ערכים אלה אין להשתמש בעת שינוי גודל חלקיקים.
3. השימוש של ציר מרכזי לחתוך את קווי המתאר nanorod לשני חצאים (איור 7C).
4. עם כל החלקים האלה, לקבוע את העוצמה ואת פני השטח של הצורה הקיף על ידי סיבוב את המיתאר סביב ציר מרכזי.
  הערה: בשיטה זו חשבון אינפיניטסימלי לפעמים מכונה השיטה של טבעות. שיטה זו של ניתוח פועלת רק אם nanorod הוא סימטרי סביב ציר מרכזי. יש שני חצאים להשוות אמצעי אחסון ואזורי משטח מספק לחיזוקים כי nanorod הוא באמת המסתובבת סימטרי.
לאחר חילוץ את העוצמה ואת שטח הפנים של nanorod לכל מסגרת של הוידאו, בצע קומפילציה, לפרש את הנתונים.
הערה: שיטת חלוקה זו מאפשרת גם עבור ניתוח מגזרי nanocrystals עם צורות מוגדרות.

Representative Results

תמונה מוידאו נציג של nanorod תצריב תחת שיעור מנה קרן אלקטרונים של 800 e^–/ Å²s מוצגים באיור 6. הפתרון דורש 20 s של תאורה קרן לפני nanorod תחילת שעברו איכול חמצוני. לאחר nanorod תחילת לתחריט, הקצב של הסרת של אטומים יישאר יציב בזמן nanorod גם שומר על יחס גובה-רוחב קבוע. Nanorods אין בדרך כלל תנועה משמעותית במהלך קטעי וידאו אשר עולה בקנה אחד עם העבודות הקודמות TEM נוזל התא באמצעות חלקיקים זה גודל²⁴. מאז חלקיקים לא לזוז הרבה, דור בועה, בועה תנועה בדרך כלל את הדרכים הטובות ביותר כדי לקבוע אם ננו-חלקיק הוא בכיס נוזלי. Nanorod הופך קטן, nanorod מתחיל סיבוב, והוא נע פנימה והחוצה מישור המיקוד, המאשרת את nanorod בסביבה נוזלית.

הכשל הנפוץ ביותר של תאים נוזלי גרפן הוא חוסר היכולת לתמצת כיסים יציב של נוזל. לפעמים זה יכול להוביל יבשה לחלוטין כיסים המאופיינים אין בועות, אין תנועה ננו-חלקיק או שינוי גודל. בנוסף, כיס ניתן להתחיל עם בועות של נוזלים, אך מאוחר יותר להתייבש לפני nanoparticle לחלוטין חורט. בדרך כלל עבור תא נוזלי טוב, בכל כיס הוא יציב בסביבות 2-3 דקות בקצב במינון לתחריט, כיס ייבוש רק הופך להיות בעיה עבור חלקיקים גדולים או תהליכים איכול איטי. לפעמים, נוזל יכול להתאדות מהכיס הן משאירות פתרון דמוי ג'ל עם ריכוז מלח גבוהה מאוד. ג'לים אלה הם בדרך כלל בולט לעין כאשר הדמיה בשל הניגוד גבוה של הפתרון, מאוד איטי תנועת הבועות וחלקיקים. אי אפשר לסמוך על הנתונים שנאספו הפתרונות דמוי ג'ל

לאחר איסוף נוזל התא TEM נתונים, ניתוח קטעי וידאו בתחריט nanoparticle. אמצעי אחסון, פני שטחים, היבטים (אם ישים) ניתן לחלץ, הערכה נוספת (איור 7). אינדיקציה כיס ייבוש היא ניכרת האטה של הקצב של תחריט לאורך זמן, כך התוויית האחסון נגד הזמן יכול להיות שיטה יעילה לבדיקת היציבות בכיס ואת המהימנות של הנתונים. תוצאות שיוצרת אחרים כוללים איכול הלא-סימטרי מצביע על כך inhomogeneous כיס תוכן משקעים בלתי רצויים של ברזל הידרוקסיד מינים etchant כלוריד ברזל. באופן כללי, המפתח החשוב ביותר עבור תאים נוזלי גראפן מוצלחת היא סביבה נוזלית יציבה ומובילה לשחזור nanocrystal דיינמיקס מרובות חלקיקים והכיסים נוזלי.

איור 1 . תיאור סכמטי של גראפן תא נוזלי טכניקה TEM. (א) להרכיב תא נוזלי גרפן, טיפונת של פתרון מושם על רשת TEM מצופים גראפן פחמן חור. רשת מצופה גראפן השנייה מונחת על גבי ה-droplet כדי ליצור כיס. שימו לב: התמונה הזאת היא לא סולם ה-droplet נוזלי הוא גדול מדי כ- 33%. (B) Zoomed בתיאור סכמטי של כיס נוזלי במהלך TEM הדמיה של nanorods זהב. קריקטורה זו הוא גם רציני. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2 . תהליך של הפיכת גראפן מצופה TEM רשתות (א) שטיפת גראפן-על-הנחושת פיסת ב חמים אצטון (B) הסרת קמטים מאקרוסקופית על ידי השטחת גראפן-על-נחושת בין שתי שקופיות זכוכית. טישו מונחת מתחת היצירה גראפן-על-נחושת כדי לא מקפלים של קמטים חדשים. (ג) הצבת פחמן אמורפי חור TEM רשתות על גראפן-על-נחושת עם פחמן אמורפי צד של רשתות TEM לגעת הגרפן. (ד) צף רשתות נחושת/גראפן/TEM על סודיום persulfate etchant. פעולה זו מסירה את הנחושת של הרשתות. (ה) גראפן מצופה TEM רשתות לאחר איכול מחוץ נחושת. הפתרון הוא כחול ויש לא נשארה נחושת על הרשתות גראפן מצופים. לעיון גודל, הקוטר של הזכוכית, צלחת פטרי הוא כ- 6 ס מ והוא השקופית זכוכית 7.5 ס מ על ידי 2.5 ס מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3 . תהליך של הפיכת גראפן נוזלי תאים (א) שני מצופים גראפן TEM רשתות שהוכנו על משטח זכוכית עם קצה מנותקים אחד מהם. אזמל כירורגי נהגה לקצר את הרשת הוא בחלק העליון הימני של התמונה. (B) Droplet של לבצע פתרון על גרפן מצופה רשת. ה-droplet על הרשת העליונה הוא בגודל הנכון והפכה חרוז יפה על הגרפן. ה-droplet על הרשת התחתונה דימם דרך הגרפן, כנראה עקב סדק הגרפן. (ג) רשת מצופה גראפן השנייה להציב על גבי רשת הראשון עם droplet של פתרון. תא נוזלי זה גראפן מוכן כעת לטעון לתוך TEM. להתייחסות גודל, השקופית זכוכית הוא 7.5 ס מ על ידי 2.5 ס מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4 . טעינת גראפן תא נוזלי לתוך מחזיק TEM הטיה יחיד רגיל. התא נוזלי גראפן משתלב בעל תקן יחיד ממונעת TEM באותה דרך רשת TEM נורמלי משתלב למחזיק. לעיון גודל, הרשת TEM קוטרו של 3 מ מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5 . שליטה קרן TEM. (א) קרן אלקטרונים מרוכז לכיול קצב במינון להציג באמצעות המסך פלורסנט. (B) מורחב קרן אלקטרונים לכיול קצב במינון להציג באמצעות מסך פלורסנט. האינטנסיביות פוחתת ככל האלקטרונים שטח בכל פעם להקטין ולכן כשקרן האלקטרונים הוא מאוד קלוש. (ג) עקומת כיול הנוגעים הקצב במינון של קרן אלקטרונים העדשה מעבה הנוכחי. עקום כיול זה משמש לשליטה מינון את הקורה במהלך דימות. (ד) פרמטרים בשימוש בעת איסוף קטעי וידאו TEM של חלקיקים בתאים נוזלי גראפן. ערכים מסוימים נעשה שימוש עבור כל פרמטר עשויים להשתנות החומר להיות עם תמונה, הפתרון הדרוש. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 6 . Nanorod זהב תצריב בכיס תא נוזלי גראפן. מסגרות של וידאו TEM נציג של nanorod זהב תחריט תחת מינון של 800 e^–/ Å²s. לאחר תקופה ראשונית של תחריט אין, חורט nanorod בקצב קבוע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 7 . שיטה לניתוח תמונות וידאו (א) חלוקה לרמות את nanorod באמצעות קביעת סף בתוכנת ניתוח התמונה. (ראה טבלה של חומרים) זה מפריד את nanoparticle מהרקע ומספק צורה אנליזה כמותית. (B) קביעת הצירים ראשיות ומשניות של nanorod. (ג) חילוץ כל חצי של החלוקה לרמות בדו-ממד חתוך לאורך הציר מייג'ור. באמצעות קווי מתאר אלה, לשחזר לצורה תלת-ממדי על ידי סיבוב המתאר סביב ציר x. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

מיקרוסקופ אלקטרונים גראפן תא נוזלי יכול לספק מידע מכניסטית על צמיחה nanocrystal, תצריב קו עם רזולוציה מרחבית גבוהה, אבל מאז ביצוע גראפן תאים נוזלי יכול להיות קשה ועדין, הטכניקה דורש תשומת לב לפרטים כדי חלץ נתונים שמיש. אפילו אחרי האימון נרחב שהופך גראפן תאים נוזלי, רק על חצי, רבע תאים נוזלי תוצרת בהצלחה לתמצת את הפתרון נוזלי. השלב הקריטי ביצירת תאים נוזלי הוא הצבת הרשת השנייה על גבי ה-droplet של נוזל. שגיאות נפוצות כוללות מקבל את הפינצטה תקוע בין שתי הרשתות, להפיל את הרשת השנייה גם רחוק מחוץ למרכז, ואני מתחיל עם טיפונת גדול מדי. מאז ההרכבה של תאים נוזלי גרפן הוא עדין ואינו דורש כישורי מוטוריקה עדינה, בדרך כלל לוקח אימון לבצע בהצלחה את כיסי נוזל. עקב ההוצאה של רשתות TEM מצופים גרפן, מומלץ מאוד כי החדש גרפן נוזלי לתא האימון הראשון משתמשים את נוזלי ביצוע תהליך על רשתות TEM מסורתי פחמן נחושת, אמורפי כדי לחסוך כסף.

קביעת הגורמים לכישלון תאים נוזלי עשויה להיות מאתגרת כי חוקר אולי לא יודע אם כל שלב הצליחה עד הדמיה המדגם בסוף, טעויות, כמו גירוד הגרפן, יבחינו בו. השגיאה הקלה ביותר לזהות הוא הרכבה לא תקין כי החוקר יראה מייד נוזלי דולף החוצה מהתאים נוזלי גראפן. בעיות עם קבלת הגרפן על רשתות נחושת, כמו פיצוח של הגרפן, יכול להיות קשה יותר לאתר. ניתן לבדוק את האיכות של הגרפן גם לפני וגם אחרי ציפוי הרשתות TEM בעזרת ספקטרוסקופיית ראמאן, אבל הגרפן בדרך כלל אינו ניתן לשימוש לאחר בדיקה זו. בנוסף, חשוב להשתמש גראפן העברה ישירה כי שתי הפנים של גראפן שמים ביחד צריכים להיות נקיים ליצירת כראוי גושפנקה דרך ואן דר Waals כוחות. ביצוע רשתות מצופים גראפן באמצעות שיטות העברת פולימר ניתן להשאיר שאריות פולימר בצד של הגרפן הצפויה להתחבר יחד. אם הנוהל הנכון לאחר באמצעות הרשתות TEM הנכון, חוסר הצלחה עם התא נוזלי גרפן הוא בדרך כלל בשל הנזק של גרפן, רשתות במהלך ההרכבה, פבריקציה נוספת.

גרפן תא נוזלי ש-TEM מקדמות קיימות טכניקות TEM נוזל התא על-ידי שימוש הרבה יותר רזה כימוס חומר יכול להשתמש כל מחזיק TEM מסורתיים, שהופך ברזולוציה גבוהה היבט מסלול הניסויים מעקב הרבה יותר קל. לרזולוציה של סיליקון מסחרי ניטריד ממברנות התאים נוזלי, הרבה של היבט ומידע קינטי אשר יכולה להיות מושגת על ידי תצריב nanocrystals בתא נוזלי גראפן יהיה אבוד. גרפן ניסויים TEM נוזל התא יכול להתבצע גם על יחיד קיימים להטות מחזיקי TEM שלילת הצורך יקר מחזיקי מתמחה חדש. עוד, ניתן לשים התא נוזלי גרפן בכל מחזיק המקבל סטנדרטי דגימות רשת TEM, ומאפשר ניסויים התא נוזלי להתבצע מתקדם מחזיקי (חימום כפול הטיה, קירור, הקפאה, cathodoluminescence) שבו נוזל ניטריד סיליקון התאים לא עוצבו. בנוסף, תאים נוזלי גראפן אינם מהווים את הסיכון של להתרסק הוואקום של העמודה TEM אם הכיסים לקרע בדומה לטכניקות האחרות TEM תא נוזלי. למרות התא נוזלי גראפן אינה טכניקה בכל מקום בשדות nanocrystal, עדיין, קלות השימוש ואת הרזולוציה המרחבית יהפוך את זה בשימוש נרחב הרבה יותר בעתיד.

אפילו עם יתרונותיה הרבים, גרפן נוזלי תא TEM יש מגבלות על סוגי הניסויים שניתן לבצע. נוזל להתנדף כמו כיסים טופס, אז זה קשה לקבוע בדיוק את הריכוז של מינים בפתרון, אפילו בלי לקחת בחשבון תופעות קרן אלקטרונים. גרפן תאים נוזלי יש גם גדלים אקראי, גבהים של הפצות כיסים קטנים, כך תאים זרימה ניטריד סיליקון יש את היתרון של יותר לכימות קרן קדם ריכוזים ושכבות גדול, אחיד נוזלי. כפי שתואר בעבודה זו, דגימות רק שנטענו מראש ניתן לצפות באמצעות גראפן תא נוזלי TEM, אז זה לא אפשרי לזרום בפתרונות אחרים כדי לעורר תגובות כימיות. המין radiolysis שנוצר על ידי האינטראקציה של קרן אלקטרונים עם הפתרון נוזלי הן הגורם המפעיל היחיד שיכול לשמש כדי להתחיל תגובת. אמנם לא הוכיח עדיין, תהליכי יזום תרמית יכולח בתאים נוזלי גראפן באמצעות חימום סטנדרטיים בעלי. אלקטרון radiolysis הנוצרות על-ידי קרן אפקטים מובנים עדיין לא לגמרי והוא יכול להיות קשה לשלוט. חוקרים פיתחו מודלים קינטי כדי לקבוע את התוכן של תא נוזלי הכיסים אחרי קרן אינטראקציה³¹^,³², אך הדיוק שלהם מוגבל על ידי מספר תגובות כלול את המודל ואת כל הריכוז לא ידוע שינויים בעקבות ייבוש. תוכן מורכבים כיס הראשונית עם מינים רבים מגיבים כמו FeCl₃, טריס מאגר אפילו גראפן³⁰, יכול להיות קשה להבין באופן מלא באמצעות מודל קינטי. חיסרון נוסף של מיקרוסקופ אלקטרונים תא נוזלי הוא כי קשה לאפיין את ההרכב של הקריסטלים נוצרו במהלך תהליכים דינאמיים. לדוגמה, בניסויים הצמיחה של המערכות ל, יתכן בלתי. אפשרי להבחין מה שלבים או מינים גדלים אם nanocrystals חדש אמורפי או לא על אזור ציר. זוהי סיבה נוספת למה תצריב nanocrystals הקבועים מראש של קומפוזיציה ידוע יושב על ציר אזור ידוע רצוי. לבסוף, יש עדיין טיעונים כי קרן-induced תגובות בתא נוזלי גראפן אינם מייצגים את התנאים של תגובות באתרו לשעבר בבקבוקון.

גרפן בעתיד תא נוזלי ניסויים יעזור להפיג חששות אלה בזמן גם באמצעות TEM חדש מתקדם עוד יותר לחקור את מסתרי nanocrystals הבסיסית. Correlative באתרו לשעבר nanocrystal סינתזה וניסויים איכול יהיה קריטי מאמתים את המנגנונים ראה בניסויים TEM תא נוזלי. בנוסף, חוקרים החלו לעבוד על הוספת יכולות זרימה גראפן תא נוזלי TEM³⁵ ועל ביצוע כיסים מבוקרת יותר³⁶ כולל מערכים של גראפן נוזלי תאים באמצעות lithographically להכין חורים³⁷. ההתקדמות מיקרוסקופ ברזולוציה ואת מצלמת מהירות יגרום תא נוזלי גראפן נוספים מסוגל בחקר דינמיקה אטומי במהלך העתקות nanocrystal. גלישת כיסים קטנים של נוזל בחומר מאגרי דק כמו גראפן עבור שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים יש שפע של יישומים אפשריים והוא ללא ספק יהפוך בעתיד מרכיב עיקרי המחקר הננו.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

העבודה נתמכה על ידי משרד האנרגיה האמריקני, משרד המדע, משרד בסיסי אנרגיה למדעים, מדעי החומרים חטיבת ההנדסה, תחת חוזה מס דה-AC02-05-CH11231 במרחק כימיה פיזיקלית של תוכנית Nanostructures אורגניים (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