एचएयूसीएल4 अग्रदूत समाधान से सोने के नैनोक्रिस्टल की सिटू इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के लिए ग्राफीन समर्थित माइक्रोवेल तरल कोशिकाओं की तैयारी के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है। इसके अलावा, एक विश्लेषण दिनचर्या मनाया etching और विकास गतिशीलता मात्रा में प्रस्तुत किया है.
इन सीटू इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के लिए ग्राफीन-समर्थित माइक्रोवेल तरल कोशिकाओं (जीएसएमएलसी) का निर्माण और तैयारी एक चरणवार प्रोटोकॉल में प्रस्तुत की जाती है। GSMLCs की बहुमुखी प्रतिभा एक HAuCl4 अग्रदूत समाधान से सोने नैनोस्ट्रक्चर ्स्डिंग और विकास गतिशीलता के बारे में एक अध्ययन के संदर्भ में प्रदर्शन किया है. GSMLCs सुविधा सेल विनिर्माण और जांच के तहत नमूना की हैंडलिंग के साथ reproduible अच्छी तरह से गहराई की पेशकश के द्वारा पारंपरिक सिलिकॉन और ग्राफीन आधारित तरल कोशिकाओं के लाभ गठबंधन. GSMLCs एक एकल सिलिकॉन सब्सट्रेट जो काफी दो-wafer आधारित तरल सेल डिजाइन की तुलना में विनिर्माण प्रक्रिया की जटिलता को कम कर देता है पर निर्मित कर रहे हैं. यहाँ, कोई संबंध या संरेखण प्रक्रिया कदम की आवश्यकता है. इसके अलावा, संलग्न तरल मात्रा बस एक सिलिकॉन नाइट्राइड परत की मोटाई का समायोजन करके संबंधित प्रयोगात्मक आवश्यकताओं के अनुरूप किया जा सकता है। यह इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी निर्वात में खफड़ा खिड़की का एक महत्वपूर्ण कमी सक्षम बनाता है. अंत में, केवल खुला स्रोत सॉफ्टवेयर का उपयोग कर तरल सेल प्रयोगों में एकल कण ट्रैकिंग और dendrite गठन के एक राज्य के अत्याधुनिक मात्रात्मक मूल्यांकन प्रस्तुत किया है.
आधुनिक सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान और कोशिका जीव विज्ञान अंतर्निहित गतिशील प्रक्रियाओं और उप माइक्रोन पैमाने पर प्रभाव की गहरी समझ की आवश्यकता है. उन्नत ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी तकनीकों की शक्ति के बावजूद जैसे प्रेरित-उत्सर्जन-उत्सर्जन फ्लोरोसेंट माइक्रोस्कोपी1, विस्तृत रूपविज्ञान तक पहुंचने के लिए प्रत्यक्ष इमेजिंग तकनीकों को इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, सीटू (स्कैनिंग) संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एस) TEM में समर्पित, वैक्यूम तंग कोशिकाओं2में तरल पदार्थ encapsulating द्वारा प्रक्रिया गतिशीलता में मूल्यवान अंतर्दृष्टि रोशन करने के लिए दिखाया गया है। नैनोस्ट्रक्चर की मात्रात्मक जांच जैसे विभिन्न प्रयोग गतिकी और ऊष्मागतिकी3,4,5,6, जैविक नमूनों की इमेजिंग7, 8 , 9 , 10 और ऊर्जा भंडारण से संबंधित तंत्र के अध्ययन11,12 संक्षारण प्रक्रिया गतिशीलता के व्यापक अध्ययन के साथ13 या नैनोबबल भौतिकी14,15, 16 कई घटनाओं का उपयोग कर खुलासा किया है (एस) TEM कि मानक माइक्रोस्कोपी तकनीक का उपयोग कर सुलभ नहीं थे.
पिछले दशक के दौरान, दो प्रमुख दृष्टिकोण situ तरल सेल TEM (LCTEM) में महसूस करने के लिए स्थापित किया गया है. पहले दृष्टिकोण में, तरल दो Si3N4 झिल्ली Si प्रक्रिया प्रौद्योगिकी17के माध्यम से उत्पादित के बीच एक गुहा में encapsulate है, जबकि दूसरे में, छोटे तरल जेब दो ग्राफीन या ग्राफीन ऑक्साइड शीट के बीच बनते हैं 10,18. सिलिकॉन आधारित तरल कोशिकाओं (SiLCs) और ग्राफीन आधारित तरल कोशिकाओं (जीएलसी) दोनों की हैंडलिंग का प्रदर्शन किया गया है19,20,21. हालांकि दोनों दृष्टिकोण महत्वपूर्ण सुधार आया है22,23,24,25, वे अभी भी संबंधित लाभ के संयोजन में कमी है . सामान्य में, एक tradeoff एक छोटे से तरल मात्रा है कि उच्च संकल्प इमेजिंग18सक्षम बनाता है के साथ अक्सर अनिर्धारित ग्राफीन जेब में नमूना encapsulating के बीच मौजूद है, और अच्छी तरह से परिभाषित सेल मात्रा मोटा झिल्ली और तरल परतों में जिसके परिणामस्वरूप, जो संकल्प2की कीमत पर थोक तरल26 में प्राकृतिक स्थिति के करीब एक वातावरण प्रदान करता है . इसके अलावा, कुछ प्रयोग तरल प्रवाह26,27 पर निर्भर करते हैं जिसे केवल एसआईएलसी आर्किटेक्चर में महसूस किया गया है और इसके लिए एक समर्पित टीईएम धारक28की आवश्यकता है ।
यहाँ, हम TEM विश्लेषण के लिए स्थिर ग्राफीन-समर्थित माइक्रोवेल तरल कोशिकाओं (GSMLCs) के माध्यम से स्थिति में उच्च प्रदर्शन के लिए एक तरल सेल दृष्टिकोण का निर्माण और हैंडलिंग प्रस्तुत करते हैं। जी एस एम एल सी का एक संक्षिप्त चित्र चित्र 1में प्रस्तुत किया गया है। जीएसएमएलसी ने सीटू उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एचआरटीएम) परिणाम6 में सक्षम होने में सक्षम होने के लिए सिद्ध किया है और यह भी संभव है के लिए इन सीटू स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी29. उनके सी प्रौद्योगिकी आधारित फ्रेम एक ही वेफर से सिलवाया तरल मोटाई और अतिरिक्त पतली झिल्ली के साथ reproducibly आकार कोशिकाओं के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अनुमति देता है। इन कोशिकाओं को कवर ग्राफीन झिल्ली भी इलेक्ट्रॉन बीम प्रेरित क्षोभ8,30,31 को कम करती है क्योंकि इलेक्ट्रॉन बीम पहले शीर्ष ग्राफीन झिल्ली से होकर गुजरता है। कोशिकाओं के फ्लैट स्थलाकृति इस तरह के ऊर्जा-विक्षेपक एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी के रूप में पूरक विश्लेषण तरीकों के लिए अनुमति देते हैं (EDXS)6 तरल सेल से उत्पन्न होने वाले किसी भी छाया प्रभाव के बिना, में उच्च गुणवत्ता की एक किस्म को सक्षम करने में situ द्रव कोशिका इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी प्रयोग।
वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध तरल कोशिकाओं के विपरीत, कस्टम बनाया GSMLCs लाभ है कि वे आसानी से उपलब्ध TEM धारकों में फिट करने के लिए डिजाइन किया जा सकता है और एक महंगी, समर्पित तरल सेल TEM धारक की आवश्यकता नहीं है.
GSMLC वास्तुकला यहाँ प्रदर्शन SiLCs और GLCs कि संभावित अद्वितीय लाभ के लिए नेतृत्व कर सकता है के पहलुओं को जोड़ती है. एक तरफ, SiLCs सेल की स्थिति और आकार का एक सटीक निर्धारण के लिए अनुमति देते हैं, लेकिन अपेक्षाकृत मोटी Si3एन4 झिल्ली उभड़ा प्रभाव को कम करने की आवश्यकता है, जबकि अंततः प्राप्त संकल्प को कम करने. दूसरी ओर, GLCs, graphene से मिलकर असाधारण पतली झिल्ली दीवारों प्रदर्शन, अभी तक यादृच्छिक जेब आकार और पदों से ग्रस्त हैं. GSMLCs के माध्यम से इन दो झिल्ली दृष्टिकोण के संयोजन से, संकल्प सीमा35 की वजह से नजरअंदाज किया जा सकता है. के रूप में अच्छी तरह से संरचना सीधे Si3N4 परत में निर्मित है, वास्तविक Si3N4 झिल्ली SiLCs की तुलना में भी छोटे का निर्माण किया जा सकता है, HRTEM विश्लेषण है जो पहले से ही GSMLCs 6 में प्रदर्शन किया गया है सरल बनाने . फिर भी, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सामान्य रूप में HRTEM SiLCs के साथ संभव है के रूप में अच्छी तरह से48. इसके अलावा, बड़े देखने के क्षेत्रों गंभीर खिड़की व्यक्तिगत नमूना कक्षों के छोटे झिल्ली क्षेत्रों के कारण उभड़ा बिना महसूस किया जा सकता है. इस प्रकार, उभड़ा हुआ संबंधित मोटाई में वृद्धि35 एक बड़ी हद तक खारिज किया जा सकता है, जैसा कि ड्यूक्स एट अल49द्वारा दिखाया गया है। यह चित्र 7में प्रदर्शित किया गया है, जहां एक प्रतिनिधि उच्च कोण वलयाकार अंधेरे क्षेत्र (HAADF) अल लोडेड GSMLC के स्टेम छवि प्रदर्शित किया जाता है. इस छवि को एक दोहरी बीम प्रणाली का उपयोग कर प्राप्त किया गया था. चूंकि इस सेटअप में प्राप्त छवि चमक सीधे नमूना मोटाई से संबंधित है, यह स्पष्ट रूप से दिखाई देता है कि सील microwells केवल छोटे नकारात्मक उभड़ा प्रदर्शन. केली एट अल24 का प्रदर्शन किया है कि नकारात्मक उभड़ा हुआ और आंशिक अच्छी तरह से चित्रा 7 में दिखाई सुखाने अच्छी तरह से व्यास पर निर्भर करता है. अच्छी तरह से व्यास को कम करने इसलिए आगे भी तरल मोटाई homogenize करने के लिए एक व्यवहार्य दृष्टिकोण है।
GLCs के संतुलन जेब आकार के कारण, तरल मोटाई भी दृढ़ता से साइट पर निर्भर35है. SiLCs अलग सी वेफर्स से उत्पन्न दो झिल्ली के डिजाइन का पालन करें. शीर्ष Si3N4 झिल्ली ग्राफीन के साथ बदलने से, तरल कोशिका निर्माण सरल है. इसका मतलब यह है कि बाद में गीला etching चरणों के दौरान दो बंधुआ सी-वेफर्स के संभावित delamination से बचा जा सकता है और सेल लोडिंग के दौरान दो वेफर टुकड़े के संरेखण छोड़ दिया जाता है. इस सेल वास्तुकला के एक तरफ फ्लैट सतह नमूना6के EDXS विश्लेषण के रूप में इस तरह के situ विश्लेषण तरीकों में पूरक सक्षम बनाता है , जो खड़ी Si किनारों पर प्रभाव छाया द्वारा पारंपरिक SiLC आर्किटेक्चर में प्रतिबंधित है50 .
तल और शीर्ष कूप स्थल दोनों पर ग्राफीन के साथ प्रीपैटर्न्ड माइक्रोवेल्स को सील करना24,25से पहले प्रदर्शित किया गया है . दो ग्राफीन झिल्ली लागू प्राप्त संकल्प में वृद्धि हो सकती है. एक दो गुना ग्राफीन हस्तांतरण, हालांकि, तैयारी की प्रक्रिया को और जटिल बना देगा; विशेष रूप से के बाद से यह सबसे संवेदनशील तैयारी कदम साबित हो गया है (नीचे देखें). इसके अलावा, ऊपर चर्चा की झिल्ली उभड़ा दो ग्राफीन झिल्ली के मामले में और भी अधिक महत्वपूर्ण होने की उम्मीद है, क्योंकि ग्राफीन एक Si3N4 परत की तुलना में अधिक लचीला है. उन आर्किटेक्चर में, माइक्रोवेल्स का निर्माण अनुक्रमिक केंद्रित आयन बीम (एफआईबी) मिलिंग का उपयोग करके किया गया था। हालांकि इस दृष्टिकोण उच्च गुणवत्ता के परिणाम उपज साबित हो गया है, FIB मिलिंग जटिल और महंगी सेल उत्पादन तकनीक है. बड़े पैमाने पर समानांतर एकल शॉट पैटर्न तकनीक है कि इस तरह के नैनोछाप या photolithgraphy के रूप में आज के अर्धचालक उद्योग में पहले से ही मानक हैं का उपयोग, तथापि, तेजी से किया जा रहा का प्रमुख लाभ है, सस्ते और बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए स्केलेबल.
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यहाँ प्रस्तुत दृष्टिकोण तरल प्रवाह आपरेशन है, जो अन्य डिजाइन28द्वारा प्राप्त है के लिए अनुमति नहीं है. चूंकि जीएसएमएलसी और जीएलसी के लिए लोडिंग और तरल मात्रा तुलनीय है, इसलिए झिल्ली के टूटने के कारण उच्च निर्वात के संदूषण से बचा जा सकताहै। यह एक बोझिल सील की जांच के लिए की जरूरत समाप्त. हालांकि SiLCs और GLCs के लाभ संयुक्त किया गया है, दोनों दृष्टिकोण के नुकसान अभी भी GSMLCs में मौजूद हैं. कोशिकाओं के निर्माण सिलिकॉन प्रौद्योगिकी के लिए एक स्वच्छ कमरे बुनियादी ढांचे की आवश्यकता है, जो जरूरी TEM प्रयोगशालाओं में मौजूद नहीं है. इसके अलावा, तरल लोडिंग तुच्छ नहीं है। यह एक समर्पित प्रशिक्षण की आवश्यकता है, ग्राफीन कोशिकाओं के समान. तथापि, यह व्यावसायिक रूप से उपलब्ध प्रणालियों के लिए भी सच है। यहाँ, सबसे संवेदनशील तैयारी कदम ग्राफीन हस्तांतरण के बाद TEM-ग्रिड हटाने है क्योंकि दाने आंदोलनों या घबरा ने Si3N4 परत को तोड़ने की संभावना है। अनावश्यक झिल्ली खिड़कियों, तथापि, कम से कम एक झिल्ली क्षेत्र के संरक्षण की संभावना को बढ़ाने. एक परिणाम के रूप में, उपज (प्रचालनीय GSMLC चिप्स की राशि) एक प्रशिक्षित प्रयोगकर्ता द्वारा प्राप्त चार में से तीन6है, और इस प्रकार ग्राफीन आधारित कोशिकाओं के साथ प्राप्त एक से अधिक है (चार में से एक से दो)19.
जीएलसी के साथ, जीएसएलसी में तरल encapsulation वैन-डर-वाल्स बातचीत18पर आधारित है। नतीजतन, इंटरफेस संदूषण GSMLCs19के प्रसंस्करण में सफलता की दर को कम कर सकता है. इसके अलावा, करने के लिए-be-encapsulated तरल चरण के Hamaker स्थिरांक पर निर्भर करता है, लोडिंग प्रक्रिया के दौरान गीला विशेषताओं (और इस तरह प्राप्त उपज)51 अलग हो सकता है और इसलिए तैयारी जटिल हो सकता है. हमारे अनुभव से पता चलता है कि यह मामला है अगर, उदाहरण के लिए, उभयरागी प्रजातियों मौजूद हैं.
GSMLC वास्तुकला अच्छी तरह से गहराई के लचीला विन्यास सक्षम बनाता है, विभिन्न प्रयोगात्मक आवश्यकताएँ करने के लिए अनुकूलन के लिए अनुमति देता है. इसके अलावा, वास्तुकला 75 डिग्री की एक व्यापक झुकाव कोण रेंज पर इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी जांच के लिए उपयुक्त है, जो भी situ इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी52 के लिए अनुमति देगा. इसलिए, जी एस एमएलसी के साथ तरल में नमूने की स्थिति और पोस्टमार्टम टोमोग्राफी भी स्थापित की जा सकती है।
The authors have nothing to disclose.
हम HAuCl4 समाधान की तैयारी के लिए Tilo Schmutzler धन्यवाद. इसके अलावा, हम सबूत पढ़ने के लिए आर ईसाई Martens धन्यवाद. जर्मन अनुसंधान फाउंडेशन (DFG) द्वारा अनुसंधान प्रशिक्षण समूह GRK 1896 के माध्यम से वित्तीय सहायता ” इलेक्ट्रॉनों, एक्स-रे और स्कैनिंग जांच के साथsitu माइक्रोस्कोपी में” और उत्कृष्टता के क्लस्टर के माध्यम से EXC 315/2 EAM “उन्नत सामग्री की इंजीनियरिंग” है आभार स्वीकार किया.
Acetone | VWR Chemicals | 50488858 | VLSI |
Deionized water | own production | ||
Dumont Anti-Capillary tweezers | Carl Roth GmbH + Co. KG | LH72.1 | 0203-N5AC-PO Dumoxel alloyed |
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HAuCl4 · 3 H2O crystal | Alfa Aesar | 36400.06 | 5 g |
Jupyter Notebook | Project Jupyter | Version 5.7.2 | |
Matplotlib-Package | John Hunter, Darren Dale, Eric Firing, Michael Droettboom and the Matplotlib development team | Version 3.0.2 | |
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Transmission Electron Microscope | Philips | CM 30 (S)TEM | 300 kV |
Trivial Transfer Graphene | ACS Material | TTG60011 | PMMA-covered, 6 — 8 MLs |