Waiting
Login processing...

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

Chemistry

С помощью графена жидкости клеток просвечивающей электронной микроскопии для изучения на месте Нанокристаллические травления

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

Графен жидких ячейки электронной микроскопии может использоваться для наблюдать Нанокристаллические динамика в жидкой среде с большей пространственным разрешением, чем другие методы электронной микроскопии жидкости клеток. Травление готовые нанокристаллов и после их форму с помощью жидкого ячейки графена просвечивающей электронной микроскопии могут принести важные механистическая информация о наночастиц преобразований.

Abstract

Графен жидких ячейки электронной микроскопии обеспечивает возможность наблюдать за наноразмерных химических превращений и динамика как реакции происходят в жидких средах. Эта рукопись описывает процесс для изготовления графена жидкость клетки через пример графена жидкость клетки просвечивающей электронной микроскопии (ТЕА) эксперименты золото Нанокристаллические травления. Протокол для изготовления графена жидкой клеток предполагает покрытие золото, Холи углерода ТЕА сетки с химическое парофазное осаждение графена и затем с помощью этих графена покрытием сетки для инкапсуляции жидкости между двумя поверхностями графена. Эти очаги жидкости, с Наноматериал интерес, отражаются в электронный микроскоп, чтобы увидеть динамику наноразмерных процесса, в данном случае окислительного травления золота наностержни. Контролируя дозы электронов луч, который модулирует травления видов жидкого ячейку, можно лучше понять основные механизмы как атомы удаляются из нанокристаллов сформировать различные аспекты и формы. Графен жидкость клетки ТЕА имеет преимущества высокое пространственное разрешение, совместимость с носителей традиционных ТЕА и низкие начальные затраты на научно-исследовательских групп. Текущие ограничения включают в себя тонкий пробоподготовки, отсутствие возможности потока и опора на электронно пучка генерируемые Радиолиз продукции побудить реакций. Дальнейшего развития и управления, графена жидкости клеток может стать повсеместно технику в области наноматериалов и биологии, и это уже используется для изучения механизмов регулирующих рост, травления и самостоятельной сборки процессов наноматериалов в жидкости на уровень одной частицы.

Introduction

Controllably обобщения нанокристаллов1 и сборки наночастиц в больших структур2,3 требует понимания основных механизмов, регулирующих как атомы и наночастиц взаимодействуют и привязки вместе. В идеале исследования этих процессов наноразмерных будет выполняться в их родной жидкой среде с соответствующим пространственным разрешением, необходимых для наблюдения за явлениями интереса, но эти требования представляют собой проблемы из-за длины нанометр шкала, на которой эти системы функционируют. Исследователи давно желали использовать пространственное разрешение электронной микроскопии для изображения этих процессов, но высокий вакуум столбце микроскопом требует инкапсуляции жидкий раствор4. Некоторые ранние опыты жидкость клетки микроскопа инкапсулируются жидкости между двумя кремния нитрид мембраны5,6,7,8, и этот метод теперь стал коммерчески доступных техника для изучения динамических наноразмерных процессов.

Коммерчески доступные кремния нитрид жидкость клетки ТЕА Держатели предоставили необходимую резолюцию, чтобы увидеть и понять различные интересные явления на наноуровне9,10,11,12 , 13 , 14 , 15 , 16. некоторые коммерческие жидкости клеток ТЕА держатели имеют дополнительные возможности, такие как Отопление, поток, и электрические соединения, которые далее расширить сферу наноразмерных процессов, которые могут быть исследованы. Однако все эти возможности, коммерческих систем не оптимизированы вокруг достижения высокого пространственного разрешения. Для исследователей, которые нужно улучшение пространственного разрешения уменьшается толщина окна и снижение жидким толщина являются два потенциальных маршрутов к менее рассеяние пучка электронов и лучше резолюции17. Некоторые группы, которые используют жидкий клетки кремния нитрид изготовить их собственных windows, которые дает больший контроль над окном и жидких толщины. 18 уменьшение рассеяния эти самодельные жидкой клеток позволило электронной микроскопии исследования с более пространственным разрешением, включая атомные резолюции исследования19,,2021.

Поскольку толщина инкапсуляции материал является одним из аспектов, что негативно сказывается на пространственное разрешение жидкости клеток экспериментов, атомарным образом тонкие, low-Z материалы, такие как графен бы идеально инкапсуляции материалы22, 23. листы графена все еще достаточно сильны, чтобы защитить жидкого карманы от перепада давления столбца. Кроме того эти очаги жидкости клеток графена обычно содержат более тонкие слои жидкости, дальнейшего усиления достижимо пространственным разрешением. Многие интересные наноразмерных процессы были расследованы с графена жидкой клеток, включая исследования траекторий наночастиц аспект и динамика наночастиц с атомной резолюции23,24,25 ,,2627. Преимуществом непреднамеренные графена жидкости клеток техника является, что это высокое пространственное разрешение может быть достигнуто без требующих покупки различных ТЕА владельца или изготовление специализированных кремния. Эксперименты с использованием кремния нитрид клетки, которые также достигли высокого разрешения требуются большие наночастиц в составе тяжелых атомов, в то время как резолюции, получаемый графена жидкость клетки могут обеспечить атомной резолюции для суб-2 Нм наночастиц25. Кроме того жидкость клетки графена открыла возможности для изучения биологических образцов с электронной микроскопии благодаря гибкий характер графена для инкапсуляции28,29 и способности графена для смягчения некоторые пагубные последствия электронного луча30. Благодаря этим преимуществам графена жидкого ячейки электронной микроскопии имеет потенциал, чтобы стать стандартным методом в общине нанонауки, после того, как большее число исследователей лучше понять, является ли этот метод может помочь их исследований и как применять Эта техника.

Исследователи в химической, Наноматериал, биологического и других областях, желая пространственное разрешение в situ преобразований могут воспользоваться используя технику микроскопии графена жидкости клеток. Этот метод в situ является особенно ценным для неравновесных процессов, которые требуют визуализации во время преобразования. Один существенный недостаток жидкости клеток ТЕА методов это поколение Радиолиз видов пертурбативный электронно пучка31, который может вызвать нежелательные изменения в тонкие образцы. Исследователи разработали модели, чтобы попытаться количественно луч driven химии31,32, и в настоящее время разрабатываются стратегии для смягчения этих эффектов в30,32. Графен жидкость клетки ТЕА имеет дополнительную задачу быть хрупким и часто трудно сделать, особенно для новых исследователей в технику. Целью этой статьи является поделиться детали как графен жидкость клетки ТЕА экспериментов может осуществляться (рис. 1), с помощью примера эксперимент, наблюдения за одной частицы травления нанокристаллов и мы надеемся показать что графен жидкость клетки для почти любой группы с доступом к электронным микроскопом возможны эксперименты. Протокол будет охватывать графена покрытие сетки, жидкие клеток формирования, использования ТЕА для графена жидкого травления экспериментов и методы анализа изображения ячейки. Важнейшие шаги в создании жидкого клетки, такие как размер капли инкапсулируются, тщательного рассмотрения содержания жидкий раствор, и использование только прямой передачи графена будут покрыты дополнительные советы о том, как избежать повторения ошибок предыдущие исследователи. Графена жидкого ячейка ТЕА является новой техникой для наномасштабных исследований, и эта статья позволит новички начать, используя эту технику.

Protocol

1. Создание сетки с покрытием графена ТЕА

  1. Вырезать из примерно 2 см2 кусок готовые графена на меди (см. Таблицу материалы), который соответствует около 6-8 ТЕА сетки.
    Примечание: С помощью 3 - 5-слойный графена вместо однослойных графена инкапсулирует жидкого карманы с более высокими показателями успеха не теряя резолюции. Так как графен является атомарным образом тонкий, low-Z материалом, большинство резолюции потеря является от жидкости толщина для графена жидкой клеток.
  2. Очистите графена, используя ацетоне мыть (рис. 2A).
    Примечание: Этот шаг предназначен для удаления любых остаточных ПММА [poly(methyl methacrylate)] оставил на поверхности графена во время процесса осаждения. Если пользователь не уверен в том, что их графена чист, этот шаг можно пропустить.
    1. Поместите кусок графена на медь в стеклянной чашке Петри и заполнить с помощью ацетона.
      Примечание: Ацетон используется потому, что ПММА растворяется в ацетоне.
    2. Аккуратно тепла раствор ацетона (~ 50 ° C) для 5 минут, периодически закрученного решение.
      Примечание: Убедитесь, что смотреть на ацетон и температуры во избежание пожара. Это должно быть сделано в зонта.
    3. Удалите часть графена на меди из ацетоне мыть с помощью пинцета и замените новый, чистый ацетон ацетон.
      Примечание: Будьте осторожны, чтобы не царапать или иным образом повредить поверхность графена с помощью пинцета.
    4. Повторите процесс стирки в общей сложности 3 раза.
    5. Пусть графена на медь воздушно-сухой тщательно прежде, чем идти к следующему шагу.
  3. Гладкая из графена на медь кусок, чтобы удалить любые макроскопических морщин (рис. 2B).
    Примечание: Этот сглаживания процесс выполняется для обеспечения что перфорированные поддержки фольги ТЕА сетки (см. Таблицу материалов) способны правильно скрепление к поверхности графена. Шишки и складки в графена на медь сделать это трудно поддерживать хорошие контакты.
    1. Возьмите два слайды чистого стекла и место сложенном wipe (см. Таблицу материалы) на слайде снизу стекла. На вершине салфетку место кусок графена на меди. Наконец место второй слайд стекла на вершине.
      Примечание: Место кусок Графен по меди с графена стороной вверх (трогательно стекла слайд) для предотвращения царапин от очистки ткани. Сложенном ткань используется постепенно вытесняет морщины и предотвращения складывания в новой складки.
    2. Нажмите вниз на верхнем слайде, постепенно сглаживая любые морщины в кусок графена на меди. Уменьшить количество сверток в ткани и повторите процесс прессования. Продолжайте процесс до окончательного прессования между двух стеклянных скольжениях с без очистки ткани.
  4. Сложить ТЕА сетки на кусок графена на меди (рис. 2 c).
    1. Место Холи аморфный углерод поддержки фольги ТЕА сетки (см. Таблицу материалы) вниз на графена с аморфным углеродом контакте графена.
      Примечание: Будьте осторожны, чтобы не согнуть или деформировать ТЕА сетки, когда их собирать с помощью пинцета. Бент ТЕА сетки не правильно связать графена. Собирание сетки на краю сетки предотвращает деформацию сетки. Здесь золото ТЕА сетки используются во избежание травления сетки во время этого шага, который удаляет из графена на медь медь.
    2. Место пару капель изопропиловый спирт на сетках.
      Примечание: Если любой сетки стать перекрываются, осторожно переместите их с наконечником пинцеты после сдачи изопропиловый спирт на сетках. Будьте осторожны, чтобы не повредить поверхность графена.
    3. Пусть сухой для 2 + h, чтобы убедиться, сетки должным образом связаны. Этот процесс сушки приносит Холи аморфный углерод в лучший контакт с графена.
      Примечание: Чтобы проверить ли сетки присоединились к графена, аккуратно забрать часть графена на меди и переверните его. Если гравитации не удалить сетки, они должны должным образом связаны.
  5. Протравите меди с использованием раствора Персульфат натрия (Рисунок 2D).
    1. Сделайте раствор с Персульфат натрия 1 г в 10 мл деионизованной воды.
    2. С помощью пинцета, тщательно место кусок графена на медь на решение Персульфат натрия с медной стороной вниз. Пусть кусок плавать на вершине Персульфат натрия раствор (Рисунок 2D).
    3. Держите решение с покрытием графена сетки, сидя на ночь. Обратите внимание, что решение станет синей гравирует меди, и там будет без видимых меди за лист графена, когда травления завершения (Рисунок 2E).
  6. Вымойте решетки счистить Персульфат натрия.
    1. Снимите решетки с плавающей из раствора и разместить их на верхней части чистой, деионизированной воды (см. Таблицу материалы для фильтра) в втором Петри.
      Примечание: Самый простой метод для передачи сетки предполагает использование на стеклянное скольжение чтобы забрать сетки и затем помещая их вниз в втором Петри заполнен водой. Некоторые сетки упадет на дно Петри блюдо во время процесса передачи. Это обычно знак что графен на сетке трещины или повреждается иным образом.
    2. Повторите эту процедуру 3 раза, чтобы удалить все остатки Персульфат натрия из графена покрытием сетки.
    3. Подобрать сетки с помощью пинцета, поместите сетки графена стороной вверх на фильтровальной бумаге и дайте им высохнуть.
      Примечание: Этот окончательный передачи из промывка водой может быть сложно, как сетки часто придерживаться пинцетом за счет капиллярных сил от остатков воды.

2. подача жидкости клеток карманы

  1. Возьмите две сетки с покрытием графена ТЕА и место их графена стороной вверх на стеклянное скольжение. С помощью небольшой хирургического скальпеля лезвие, отрежьте края одного из графена покрытием сетки ТЕА, примерно 1/4 до 1/8 области сетки (рис. 3A).
    Примечание: Резка одним из сетки можно предположить довести графена на двух сетках в более тесный контакт для обеспечения лучшего взаимодействия графена графена карманы форме.
  2. Готовят раствор, который будет инкапсулироваться.
    Примечание: Решение для Нанокристаллические травления эксперимент.
    1. Сделайте раствор HCl буфера Tris деионизированной водой в концентрации от 10-100 мм.
      Примечание: Мы обнаружили, что для подготовки решения водный металлических наночастиц, буфер Tris HCl приводит к более высокий уровень успеха стабильной карманов, хотя необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, почему трис-буфер HCl помогает сделать стабильной карманы. Использование буфера Tris база или буфер не трис, которые оба, как представляется, в этом случае имеют намного ниже показатели успеха формирования карман. Каждый растворителя и пример скорее всего потребует оптимизации, чтобы найти условия, создающие стабильные карманы не нарушая химии изучается. Краткий обзор литературы свидетельствует успех с орто дихлорбензол/oleylamine (соотношение 9:1),23 0.5 x трис Борат ЭДТА (КЭ) и 200 мм раствор NaCl,33 и водный 0,15 М NaCl решение30 , а также водный буфера Tris HCl система, представленная здесь.
    2. Сделайте 40 мм FeCl3 решения в решении деионизованной воды с 1.8 мкл HCl на мл воды.
      Примечание: FeCl3 является etchant для этого эксперимента травления. Другие эксперименты могут добавлять различные решения в зависимости от выполняемого эксперимента.
    3. Сделать золото наностержни и сконцентрировать nanorod образца после очистки1,34.
    4. Смешайте 0,15 мл 0,01-0,1 мм трис-буфер HCl, 0,1 мл 40 мм FeCl3 HCl и 10 мкл наностержни.
  3. Место ~0.5 мкл капли раствора, который будет инкапсулироваться в сетке с покрытием графена ТЕА-cut. Помощью пинцета, удерживая край ТЕА сетки размещения капли, так что капиллярные силы не всасывайте сетке ТЕА (рис. 3B).
    Примечание: Будьте осторожны, чтобы сделать как можно меньше капли и разместить его как близко к центру сетки как можно скорее.
  4. Быстро и тщательно место графена покрытием сетки ТЕА с вырезать угол на вершине капли; Цель заключается в том, чтобы иметь второй сетке прийти на отдых поверх первой сетки не разжевывая, получение выдавливается (рис. 3 c).
    Примечание: Имея второй сетке, уже помещены в самозакрывающиеся пинцетом может сделать этот процесс проще и быстрее. Это вероятно сложный шаг процесса формирования жидкости клеток с многих потенциальных сбоев, которые могут произойти. Установка в верхней сетке при удалении пинцет является проблемой, как пинцетом может застрять между двух сеток. Как правило поместив один край в верхней сетке ТЕА вниз и затем постепенно отпустить сетки работает лучше всего. Обратите внимание, что если жидкость виден на стекла слайда, затем карманы вероятно сделал не уплотнение должным образом.
  5. Подождите 5 минут чтобы графена жидкость клетки карманы форме.
    Примечание: Некоторые испарения жидкости может возникнуть как образуют карманы, но после того, как образуется герметичное уплотнение, без дополнительных потери жидкости, вероятно. Относительная концентрация каждого вида в растворе должны оставаться неизменными.
  6. Принесите образец ТЕА для воображения.
    Примечание: Количество времени, отведенных для герметизации варьируется от исследователь исследователь. Для травления эксперименты, меньше времени, до чего жидкость клетки ТЕА желательно избежать предварительного травления.

3. Загрузка и визуализации ячейки графена жидкости

Примечание: операция просвечивающий электронный микроскоп следуют стандартные процедуры, найти в руководстве пользователя. Каждый ТЕА будет иметь различное выравнивание процедур.

  1. Место графена жидкости клеток в едином традиционным ТЕА наклона держателя (рис. 4).
    Примечание: Другие стандартные держатели таких двойной наклон Держатели или Отопление Держатели могут быть использованы также. Держатели, которые используют винт как механизм для обеспечения сетке ТЕА может наложить поперечной силы, который разрушает клетку жидкого графена.
  2. Загрузите держателя ТЕА в столбце ТЕА.
    Примечание: Поскольку графена жидкости клеток содержит небольшой объем жидкости не водохранилище и имеет отдельный карманы, существует не нужно тщательно проверить на наличие утечек как кремния нитрид жидкости клеток экспериментов. Даже если карман жидкости клеток графена лопаются, только очень небольшое количество жидкости освобождается и таким образом не будет врезаться вакуумной системы ТЕА.
  3. Использование наночастиц и аморфного углерода в образце правильно Совместите ТЕА пучка (наклона пушки, конденсатора диафрагма выравнивание и конденсатор отчаиваются), и изображения (Z-высота регулировки, объективные отчаиваются, выравнивание по центру вращения и аберрации Корректор, тюнинг, если применимо). Затем извлеките держатель из луча и калибровку электронного пучка дозы.
    1. ТЕА накаливания включите по крайней мере 20 минут до калибровки позволяет стабилизировать для воспроизводимых доз; это время ожидания может отличаться в зависимости от системы ТЕА и электронная пушка тип.
      Примечание: Выборы microscopists часто используют дозы сослаться на количество электронов, доставлены на единицу площади в единицу времени (–/Å2е). В радиационной химии сообщества это известно как плотность потока и дозы определяется как количество энергии, поглощенной на единицу площади в единицу времени. Начиная с расчета количества энергии поглощается образец трудно для сложных геометрий в жидкой клеток, и для обеспечения согласованности с сообществом ТЕА, мы решили использовать дозы для обозначения электронов на единицу площади в единицу времени.
    2. Уплотнить луча наиболее сжатой, высокие дозы, необходимая сумма для эксперимента с помощью просмотра на экране (Рисунок 5A). Прочитайте и сохраните объектив текущей для конденсированных пучка.
      Примечание: Для шагов 3.3.2 до 3.3.5, пользовательские цифровые Микрофотография сценарий был написан, который берет под контроль конденсорной системы ТЕА для калибровки второй объектив конденсатора (C2), текущей с дозы поставленных электронов. Это позволяет исследователю можно воспроизвести присвоено дозы электронов произвольные значения в ходе эксперимента.
    3. Распространения луча наиболее распространения, низкие дозы, необходимая сумма для эксперимента с помощью просмотра на экране (Рисунок 5B). Прочитайте и сохраните объектив ток для распространения луча.
    4. Разделить диапазон токов объектив конденсатор на 10 равноудаленных значения и собирать изображения для каждого значения конденсатора объектива с камеры на ПЗС.
    5. Преобразуйте CCD графов для дозировки частоты с помощью CCD чувствительность и увеличение калибровки для каждого текущего объектив.
    6. Используйте данные потока электронов в различные линзы токи сделать калибровочной кривой. Используйте этот Калибровочная кривая для остальной части эксперимента для управления электронного луча в нужный поток.
    7. Заново вставьте образец луча.
  4. Начните поиск наночастиц в карманах жидкой при сохранении низких курсовая доза (обычно около 20–/Å2е).
    Примечание: Снижение дозы предотвращает травления при поиске наночастиц наночастиц.
  5. При нахождении наночастиц в кармане жидкость, тонкой настройки акцент на наночастиц, сохраняя при этом низкие дозы.
    Примечание: Определения, является ли наночастиц в кармане жидкости может быть сложно, но наличие пузырьков или движение частиц часто является хорошим признаком стабильного жидкого кармана. Иногда вместо жидкости, карманы напоминают очень плотный гель с пузырьками, идет крайне медленно. Эти ситуации являются причиной испарение жидкости потенциально результате незапечатанного карманы или трещин в графена. Это довольно легко различать гели с без движения и жидких средах с пузырьки быстро движущихся и изменяя форму. Там могут быть некоторые испарения во время формирования хорошего жидкость клетки карманов, но относительной концентрации между реактивы, остается неизменной.
  6. Использование калибровочной кривой (см. шаг 3.3 для этого) установить объектив конденсатора ток для требуемой дозы (рис. 5 d).
    Примечание: Внутренние сценарий используется для задания конденсатора объектив текущих и параметров получения изображений
  7. Начните сбор временных рядов изображений ТЕА с метаданными доза скорости и времени марок, внедренных в файл изображения.
  8. После завершения частицы травления, распространения луча и начать поиск других наночастиц в карманах жидкой.
  9. Когда собрали достаточное количество наночастиц, травления видео, удалите ТЕА держатель из ТЕА, после стандартными процедурами ТЕА. Возьмите графена жидкости клеток из держателя ТЕА.
    Примечание: Типичный изображений сеанс длится около 2-3 ч с приблизительно 30 видео. Количество видео с использования данных зависит от качества карманов и тип травления эксперимент.

4. образ анализ ТЕА видео с использованием вычислительного программного обеспечения

Примечание: Поскольку ТЕА видео прогнозам 2-мерных, 3-мерной формы, тщательный анализ необходимо сделать для извлечения травления ставки или формы изменения.

  1. Преобразовать родной дм3 видео файлов в avi формат с помощью ImageJ и импортировать avi видео в вычислительной программного обеспечения (см. Таблицу материалы).
  2. Анализируйте каждый nanorod в каждом кадре видео.
    1. Определите план nanorod, бинаризация изображения (рис. 7A).
      Примечание: Высокий контраст металлических наночастиц упрощает анализ изображений. Для изучения систем с нижней контраст, могут потребоваться дополнительные фильтры до порога.
    2. Из структуры nanorod определите оси major и minor ближе всего подходят эллипса (рис. 7B).
      Примечание: Программное обеспечение для анализа встроенных изображений для определения основных и вспомогательных осей предполагает, что имеет форму эллипса. Для nanorod, который не является эллипс, эти значения не должны использоваться при калибровке наночастиц.
    3. Используйте основной оси разрезать контур nanorod на две половинки (рис. 7 c).
    4. С каждым из этих половинок Определите объем и площадь поверхности фигуры, охватывается этот контур вокруг главной оси вращения.
      Примечание: Этот метод исчисления иногда именуется как метод колец. Этот метод анализа работает только, если nanorod симметричный вокруг главной оси. Имея две половинки сравнить объемы и площади поверхности обеспечивает некоторые уверенность, что nanorod действительно вращения симметричный.
  3. После извлечения, объем и площадь поверхности nanorod для каждого кадра видео, скомпилировать и интерпретации данных.
    Примечание: Этот структурированный метод также позволяет для анализа аспектов нанокристаллов с определенной формы.

Representative Results

Кадры из представительных видео nanorod, офорт под электронно пучка дозы 800 e–/ Å2s показаны на рисунке 6. Решение требует около 20 s луч освещения до начала nanorod переживает окислительного травления. После nanorod начинается травления, скорость удаления атомов остается устойчивый, в то время как nanorod также поддерживает постоянной пропорции. Наностержни обычно не имеют значительное движение во время видео, которая согласуется с предыдущей работы ТЕА жидкости клеток с помощью наночастиц этот размер24. Так как наночастиц не много двигаться, пузырь поколения и движение пузыря обычно являются лучших способов определить, является ли наночастиц в кармане жидкость. Как nanorod становится маленьким, nanorod начинается вращающихся и движущихся внутри и вне плоскости фокуса, подтверждающий, что nanorod находится в жидкой среде.

Наиболее распространенными провал графена жидкой клеток является неспособность инкапсулировать стабильной очаги жидкости. Иногда это может привести к полностью высушите карманы, характеризуется не пузыри и не наночастиц движения или изменения размера. Кроме того карман можно начать с жидкостью и пузыри, но позже высохнуть, прежде чем полностью гравирует наночастиц. Обычно для хорошей жидкости ячейки каждый карман стабильным для около 2-3 мин на дозы травления, и карманные сушки только становится проблемой для больших наночастиц или медленно офорт процессов. Иногда жидкость может испаряться из кармана и оставить позади Гелеобразный раствор с очень высокой концентрации соли. Эти гели обычно очевидны при визуализации благодаря высокой контрастности решения и крайне медленное движение пузырьков и частиц. Данные, собранные в эти решения гелем как нельзя доверять.

После сбора жидких ячейки данных ТЕА, анализируются видео с наночастиц травления. Томов, поверхностей и граней (если применимо) могут быть извлечены и оценены дальнейшие (рис. 7). Одним из признаков сушки карман существенное замедление скорости травления с течением времени, поэтому заговор тома против времени может быть эффективным методом для проверки стабильности карман и надежности данных. Другие субоптимальные результаты включают ориентировочных несимметричных травления неоднородных карман содержимого и нежелательных осадков видов гидроксид железа от etchant хлорида железа. В целом наиболее важным ключом для успешного графена жидкой клеток является стабильной жидкой среде, что приводит к воспроизводимые Нанокристаллические динамика по нескольким наночастиц и жидких карманов.

Figure 1
Рисунок 1 . Схема графена жидкого ячейки ТЕА технику. (A) собрать ячейку жидкого графена, капли раствора помещается на сетке ТЕА с покрытием графена Холи углерода. Второй сетки с покрытием графена помещен na górze капелька сформировать в кармане. Обратите внимание, что этот образ не масштаб и жидкие капли составляет около 33% слишком большой. (B) Zoomed в схема жидкого кармана во время изображений ТЕА золота наностержни. Этот мультфильм является также не в масштабе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 . Процесс для изготовления графена покрытием сетки ТЕА (A) промывки графена на медь кусок в теплой ацетон (B) удаление макроскопических морщины, уплощение графена на меди между двух стеклянных скольжениях. Ткани размещается под графена на медь кусок с тем, чтобы не раз в новых морщин. (C) размещение аморфного углерода Холи ТЕА сетки на Графен по меди с аморфного углерода стороне сетки ТЕА, касаясь графена. (D) плавучий медь/графена/ТЕА сетки на etchant Персульфат натрия. Это удаляет меди из сетки. (E) графена с покрытием сетки ТЕА после травления от меди. Решение является синий и остается не медной сетки с покрытием графена. Для справки размер, диаметр стекла Петри составляет примерно 6 см и стеклянное скольжение – 7,5 см на 2,5 см. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 . Процесс для изготовления графена жидкость клетки (A) две графена покрытием сетки ТЕА подготовлен на слайде стекла с краю отрезать один из них. Хирургический скальпель используется для резки сетки находится на верхней части справа от изображения. (B) капли инкапсуляции решение на графена с покрытием сетки. Капли на верхней сетке правильный размер и сделал красивый шарик на графена. Капли на нижней сетке Блед через графена, возможно из-за трещины в графена. (C) второй графена покрытием сетки помещается поверх первой сетки с капли раствора. Эта жидкость ячейка графена теперь готовы для загрузки в ТЕА. Размер ссылки, стеклянное скольжение – 7,5 см на 2,5 см. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 . Загрузка графена жидкости клеток в Стандартный одноместный tilt ТЕА держатель. Жидкость клетки графена вписывается в стандартный держатель ТЕА сингл наклон в так же, как нормальный ТЕА сетки помещается в держатель. Размер ссылки, ТЕА сетка имеет диаметр 3 мм пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5 . ТЕА управления лучом. (A) сгущенное электроннолучевые дозы скорость калибровки просматривать с помощью флуоресцентных экрана. (B) Расширенная электроннолучевые дозы скорость калибровки просматривать с помощью Флуоресцентный экран. Интенсивность уменьшается как электроны на площади за время уменьшаться, поэтому электронного луча является очень слабым. (C) Калибровочная кривая, касающимся текущего объектив конденсатора дозы пучка электронов. Эта калибровочная кривая используется для контроля дозы луча во время визуализации. (D) параметры используются при сборе видео ТЕА наночастиц в графена жидкой клеток. Конкретные значения, используемые для каждого параметра может изменяться в зависимости от материала изображаемого и резолюции необходимо. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6 . Золото nanorod, травления в кармане жидкость клетки графена. Фоторамки представитель ТЕА видео Золотой nanorod, офорт под дозы 800 e–/ Å2s. После начального периода без травления nanorod гравирует с постоянной скоростью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 7
Рисунок 7 . Метод анализа кадров видео (A) с изложением nanorod, используя порог в программное обеспечение для анализа изображений. (см. Таблицу материалы) Это отделяет наночастиц от фона и предоставляет форму для количественного анализа. (B) определение основных и вспомогательных осей nanorod. (C) извлечения каждой половины 2-D набросков вырезать вдоль главной оси. С помощью этих контуров, реконструировать объемной фигуры, вращая контур вокруг оси x. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Графен жидких ячейки электронной микроскопии могут обеспечить механистическая информация о Нанокристаллические роста и травления с высоким пространственным разрешением, но, поскольку создание графена жидкость клетки может быть сложной и деликатной, техника требует внимания к деталям в извлечь пригодные для использования данные. Даже после обширной практике делает графена жидкость клетки, только около половины до четверти сделал жидкой клеток успешно инкапсулировать жидкий раствор. Важным шагом в формировании жидкой клеток является размещение второй сетке на вершине капли жидкости. Распространенные ошибки включают в себя получение пинцет, застрял между двумя сетками, снижается второй сетке слишком далеко от центра и начиная с дроплета, который является слишком большим. Поскольку Ассамблея графена жидкой клеток является деликатной и требует тонкой моторики, обычно это занимает практике успешно сделать жидкого карманы. Из-за счет графена покрытием сетки ТЕА настоятельно рекомендуется новая жидкость графена мобильных пользователей первой практике жидкости клеток, делая процесс на традиционные медные, аморфного углерода ТЕА сетки, чтобы сэкономить деньги.

Определение причин отказа для жидких клетки может быть сложным, потому что исследователь не может знать, если каждый шаг был успешным до визуализации образца в конце, и ошибки, как царапины графена, может остаться незамеченным. Простой ошибки для идентификации является неправильная сборка потому, что исследователь будет сразу увидеть жидких утечка из графена жидкость клетки. Проблемы с созданием графена на медной сетки, как растрескивание графена, может быть труднее определить. Качество графена может проверяться как до, так и после покрытия ТЕА сеток с использованием Рамановская спектроскопия, но графена обычно является непригодным для использования после этого тестирования. Кроме того важно использовать прямой передачи графена, потому что два лица графена, вместе взятые должны быть чистой правильно сформировать печать через ван-дер-Ваальса. Создание графена покрытием сетки через методы передачи полимера может оставить остатков полимера на стороне графена, которая, как ожидается, соединяются. Если правильный процедура выполняется с помощью правильной сетки ТЕА, отсутствие успеха с графена жидкого ячейки обычно из-за неправильного графена и сетки во время Ассамблеи и изготовление.

Графен жидкости клеток, ТЕА достижения существующих методов ТЕА жидкого ячейки, используя намного тоньше инкапсуляции материал, который могут используется в любой традиционной держатель ТЕА, делая аспект траектории и высоким разрешением отслеживания эксперименты намного проще. С разрешением коммерческих кремния нитрид мембраны жидкий клеток большая часть аспекта и кинетические информацию, которая может быть достигнута путем травления нанокристаллов в ячейке жидкого графена будет потеряна. Графен, что жидкость клетки ТЕА может также быть эксперименты на существующих сингл наклона Держатели ТЕА, что устраняет необходимость для дорогих новых специальных держателей. Кроме того, графена жидкого ячейку можно положить в любой держатель, который принимает стандартные образцы сетки ТЕА, позволяя для жидких клеток экспериментов в расширенный держатели (Отопление, двойной наклон, охлаждение, крио, Катодолюминесценция) где жидкость из нитрида кремния клетки не были разработаны. Кроме того графена жидкость клетки не представляют риск сбоев вакуум столбце ТЕА если карманы разрыв как другие методы ТЕА жидкости клеток. Хотя графена жидкости клеток еще не повсеместно технику в Нанокристаллические поля, его простота использования и пространственным разрешением сделает его гораздо более широко использовать в будущем.

Даже с его много преимуществ графена жидкость клетки ТЕА имеют ограничения на типы экспериментов, которые могут быть выполнены. Некоторые жидкости испаряются как карманы форме, поэтому трудно точно определить концентрацию видов в растворе, даже без учета эффектов пучка электронов. Графен жидкость клетки также имеют случайных размеров, высот и распределения малых карманов, поэтому кремния нитрид потока клетки имеют преимущество более поддающихся количественному измерению концентрации предварительной балка и большие, форма жидкого слои. Как описано в этой работе, только предварительно образцы можно просмотреть с помощью жидкого ячейки графена в ТЕА, так что это не возможно поступать в другие решения, чтобы вызвать химические реакции. Радиолиз видов, порожденных взаимодействия электронного пучка с жидким раствором являются единственным триггера, который может быть использован для начала реакции. Хотя пока еще не продемонстрировали, термически начатые процессы может запускаться в жидкой клеток графена с использованием стандартных Отопление Держатели. Электронный луч индуцированной Радиолиз эффекты понимаются еще не полностью и может быть трудно контролировать. Исследователи разработали кинетической модели, чтобы определить содержимое карманов жидкости клеток после луч взаимодействия31,32, но их точность ограничивается количество реакций, включенных в модель и любые неизвестные концентрации изменения, обусловленные сушки. Содержимое комплекс первоначальных карман с многих видов реагируя как FeCl3, буфер Tris и даже графена30, может быть трудно полностью понять использование кинетической модели. Еще один недостаток жидкости ячейки электронной микроскопии, что это трудно характеризовать состав кристаллов, образующихся при динамических процессов. Например в экспериментах роста многокомпонентных систем, может быть невозможно отличить, какие этапы или видов растут, если новый нанокристаллов аморфный или не на оси зоны. Это еще одна причина, почему травления предварительно сформированных нанокристаллов известные композиции, сидя на оси известной зоны является желательным. Наконец есть еще некоторые аргументы, что луч индуцированной реакции в ячейке жидкого графен не представляют условия реакции ex situ в колбе.

Будущих графена жидкого клеток экспериментов поможет облегчить некоторые из этих проблем, а также с помощью новых ТЕА авансы дальнейших зонд основные тайны нанокристаллов. Корреляционные ex situ синтез Нанокристаллические и травления эксперименты будет иметь решающее значение в подкрепляющих механизмов, видели в жидкости клеток ТЕА экспериментов. Кроме того исследователи начали работать на добавление возможности потока графена жидкость клетки ТЕА35 и сделать более управляемой карманы36 включая массивы графена жидкой клеток с помощью lithographically подготовленные отверстия37. Достижения в резолюции и камеры скорость электронной микроскопии сделают графена жидкого ячейки далее возможность изучать атомной динамика во время преобразования Нанокристаллические. Упаковка небольшие очаги жидкости в атомарным образом тонкого материала как графена для использования в электронной микроскопии имеет множество потенциальных приложений и несомненно станет главным продуктом Нанонауке исследований в будущем.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Работа была поддержана министерства энергетики США, управление науки, управление фундаментальных наук энергии, материаловедение и инженерного отдела по контракту № ДЕ AC02-05-CH11231 в рамках физической химии неорганических наноструктур программы (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

Химия выпуск 135 графена жидкости клеток просвечивающей электронной микроскопии в situ просвечивающей электронной микроскопии нанокристаллов окислительного травления золото наностержни единого наночастиц эксперименты
С помощью графена жидкости клеток просвечивающей электронной микроскопии для изучения <em>на месте</em> Нанокристаллические травления
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