Summary
Ett protokoll för beredning av grafenstödd mikrobrunn flytande celler för in situ elektronmikroskopi av guld nanokristaller från haucl4 prekursorer lösning presenteras. Dessutom presenteras en analys rutin för att kvantifiera observerad etsning och tillväxtdynamik.
Abstract
Tillverkning och beredning av grafenstödda mikrobrunn-vätskeceller (GSMLCs) för in situ -elektronmikroskopi presenteras i ett stegvis protokoll. Mångsidigheten i GSMLCs visas i samband med en studie om etsning och tillväxtdynamik av guldnanostrukturer från en HAuCl4 prekursorer lösning. GSMLCs kombinerar fördelarna med konventionella kisel-och grafenbaserade vätske celler genom att erbjuda reproducerbara borrdjup tillsammans med facile cell tillverkning och hantering av preparatet under utredning. GSMLCs tillverkas på ett enda kisel substrat som drastiskt minskar komplexiteten i tillverkningsprocessen jämfört med två-wafer-baserade flytande cell konstruktioner. Här krävs inga bindnings-eller justerings processteg. Dessutom kan den medföljande vätskevolymen anpassas till respektive experimentella krav genom att helt enkelt justera tjockleken på ett kisel nitridskikt. Detta möjliggör en signifikant minskning av fönster utbuktning i elektronmikroskopet vakuum. Slutligen presenteras en State-of-the-art kvantitativ utvärdering av Single partikel Tracking och Dendrit formation i flytande cell experiment med endast öppen källkod.
Introduction
Modern materialvetenskap, kemi och cellbiologi kräver en djup förståelse för underliggande dynamiska processer och effekter i den sub-micron skalan. Trots kraften i avancerade optiska mikroskopi tekniker såsom stimulerade-emission-utarmning fluorescens mikroskopi1, direkt avbildning tekniker för att komma åt detaljerade morfologier kräver elektronmikroskopi. I synnerhet, in situ (skanning) transmission elektronmikroskopi (S) tem har visat sig belysa värdefulla insikter i processdynamik genom att kapa vätskor i dedikerade, vakuum-tight celler2. Olika experiment, såsom kvantitativa undersökningar av nanostrukturbildande kinetik och termodynamik3,4,5,6, avbildning av biologiska preparat7, 8 , 9 , 10 och studier av energilagringsrelaterade mekanismer11,12 tillsammans med omfattande studier av korrosion process Dynamics13 eller nanobubble physics14,15, 16 har avslöjad många fenomen med (S) tem som inte var tillgängliga med hjälp av standard mikroskopi tekniker.
Under det senaste decenniet har två viktiga metoder för att realisera in situ Liquid cell tem (LCTEM) fastställts. I den första metoden är vätskan inkapslad i en hålighet mellan två si3N4 membran som produceras via si process Technology17, medan i den andra, små vätske fickor bildas mellan två grafen eller grafen oxid ark 10,18. Hanteringen av både kisel-baserade vätske celler (Silcs) och grafenbaserade vätske celler (glcs) har visats19,20,21. Även om båda metoderna har genomgått betydande förbättringar22,23,24,25, saknar de fortfarande i kombinationen av respektive fördelar. I allmänhet finns en kompromiss mellan att kapta provet i ofta odefinierade grafenfickor med en liten vätskevolym som möjliggör högupplöst avbildning18, och väl definierade cell volymer som resulterar i tjockare membran och flytande skikt, som ger en miljö som ligger närmare den naturliga situationen i bulk Liquid26 på bekostnad av resolution2. Dessutom beror vissa experiment på ett flytande flöde26,27 som endast har realiserats i SiLC-arkitekturer och kräver en dedikerad tem-hållare28.
Här presenterar vi tillverkning och hantering av en flytande cell metod för högpresterande in situ lctem via statisk grafenstödda mikrobrunn flytande celler (gsmlcs) för tem analyser. En skiss av GSMLC presenteras i figur 1. GSMLCs har visat sig kunna möjliggöra in situ högupplöst transmission elektronmikroskopi (hrtem) resultat6 och är också genomförbara för in situ scanning elektronmikroskopi29. Deras si-teknikbaserade ram möjliggör massproduktion av reproducerbara formade celler med skräddarsydd flytande tjocklek och extra tunna membran från en enda wafer. Grafenmembranet som täcker dessa celler dämpar också elektronstrålen-inducerad störningar8,30,31 eftersom elektronstrålen passerar genom det översta grafen membranet först. Cellernas plana topografi möjliggör kompletterande analysmetoder såsom energidispersiv röntgenspektroskopi (EDXS)6 utan skuggeffekter som uppkommer från själva vätske cellen, vilket möjliggör en mängd olika högkvalitativa in situ - flytande cellelektronmikroskopi experiment.
Protocol
1. tillverkning av microwell-baserade flytande cellmallar
- Ta bort organiska rester och inhemska oxidskikt från en 175 μm tjock, enda kristallin, Boron-doped (1 – 30) Ωcm, 100 mm diameter (100) kisel wafer. Applicera ett oxidations steg med H2O2 och tmah, följt av ett HF-DIP i 1 – 5% HF-lösning.
- Termiskt oxidera wafer i en torr syreatmosfär vid 800 ° c för att odla ett oxidskikt med en tjocklek av 11 nm (figur 2A). 3% dichlorethene (DCE) används för att binda metallisk kontamination.
- Deponera ett stökiometriskt si3N4 skikt via lågtrycks-kemisk förångningsdeposition (lpcvd). Si3N4 skikttjockleken definierar brunnen djup. Välj ett värde som lämpar sig för det planerade experimentet (t. ex. 500 Nm) (figur 2b).
- Definiera den laterala brunnen geometrin genom att strukturera framsidan via Photolithography och reaktiv Jon etsning (RIE) (figur 2C). Passande dimensionerar är for example cirkulär strukturerar med 2,5 μm radie ordnat in sexkantiga arrayer. Välj brunnen avstånd försiktigt (till exempel, 5 μm), för att undvika instabilitet i strukturen.
- Deponera ytterligare 20 nm i stökiometriska si3N4 av lpcvd, som utgör botten membranet i vätske cellen (figur 2D). Följ proceduren som beskrivs ovan (se steg 1,3).
- Använd en andra Photolithography/RIE steg för att strukturera baksidan som senare definierar de geometriska dimensionerna av LC ram och dess TEM fönster (figur 2e) (ram diameter: 3 mm).
- Via bulk-micromachining i 20% KOH vid 60 ° c, ta bort si i det fördefinierade området och skapa en fristående si3N4 membran (figur 2F).
- Avlägsna kvarvarande metalljoner i ett rengöringssteg med 10% HCl-lösning och avjoniserat (DI) vatten.
2. överföring av grafen till TEM-galler
- Blöt vävnaden på vilken det kommersiellt förvärvade fåtal skikt (6 – 8) CVD-grafen på PMMA placeras. Sänk ned den PMMA-belagda grafen i en petriskål fylld med DI-vatten (figur 3a).
Anmärkning: antalet skikt av grafen kan bestämmas med hjälp av genomförbara tekniker32,33. - Placera grafenskiktet på ett filtrerpapper och skär det i stycken som lämpar sig för att täcka alla fabricerade brunnar (t. ex. 4 mm ²) (figur 3b).
- Återsänk skär bitarna i petriskål (figur 3c).
- Använd ett TEM rutnät belagda med ett stöd skikt av Holey Carbon att fiska de producerade bitarna ur DI vattnet. För att göra det, försiktigt dyka rutnätet i vattnet och fånga grafen flyter på ytan. Håll i rutnätet med anti-kapillärpincett (figur 3D, e).
Observera: var noga med att grafen av grafen-PMMA-stacken håller sig överst under hela proceduren. I annat fall kommer den efterföljande PMMA-borttagningen att lyfta av grafenskiktet. - Låt arken torka i några timmar.
- Ta bort PMMA skyddsskiktet i ett aceton bad i 30 min och i följd lägga ytterligare rengöringssteg genom att doppa i etanol och DI vatten utan att torka provet däremellan. Använd ett plant kärl (t. ex. en petriskål) för att förenkla preparat överföringen efteråt.
- Torka provet efteråt i 30 minuter vid omgivningsförhållanden.
3. preparat beredning
- Förbered preparatet för inkorporering i GSMLC. För att göra detta, Förbered en 1 mM stamlösning genom att lösa 196,915 mg HAuCl4· 3H2O kristaller i 0,5 L av di vatten.
- Ta den önskade mängden prov från stamlösningen. Här appliceras 0,5 μL. Detta kan göras med hjälp av en spruta eller en Eppendorf-pipett.
4. GSMLC lastning
- Skölj den fabricerade flytande cellmall med aceton och etanol.
- Applicera en Ambient O2/n2 (20%/80%) plasma i 5 minuter för att öka membranets Vätbarheten.
- Fördela 0,5 μL preparat lösning på mallen eller grafenskiktet. Säkerställ en smidig arbetsprocedur för att minimera förändringar i koncentrationen på grund av avdunstning.
- Placera TEM-rutnätet på det mikromönstrade si3N4 -skiktet med grafen vänd mot mallen. Tryck på det grafenbelagda TEM-rutnätet på mallen. Var noga med att inte förstöra botten si3N4 membran.
- Ta bort överflödig lösning med en vävnad för att påskynda cell torkning och därmed mildra koncentrations förändringar (figur 4a). Efter ca 2 – 3 min är interaktionen mellan Grafenet-si3N4 van-der-Waals tillräckligt tätande i vätske cellen (figur 4b). Alternativt, låt cellen torka ut helt utan att ta bort överflödig lösning. Sistnämnden erbjuder en högre framgång klassar i cellen som bearbetar. Avdunstnings baserade koncentrations förändringar i preparat lösningen förväntas dock bli allvarligare när man använder denna metod.
Obs: den lyckade torkprocessen kan verifieras med en kontrast förändring i periferin (jämför figur 4a, b). - Ta försiktigt bort TEM-rutnätet med en pincett genom att trycka på en pincett-spets mellan rutnätet och GSMLC-ramen.
Anmärkning: hudutslag kan bryta det underliggande membranet. Du minskar skjuvkraften genom att starta från rutnäts platsen parallellt med den mindre fönsterkanten. - Kontrollera, om minst ett membran av GSMLC fortfarande är intakt via optisk mikroskopi (figur 4c). Om alla membran bröts, LCTEM skulle vara omöjligt.
5. TEM Imaging och videoanalys
- Fyll på provet till ett (S) TEM direkt efter beredning med en standard-TEM-hållare.
Obs: eftersom det rapporteras för GLCs19, gsmlcs kan torka ut med tiden. Därför bör tiden mellan lastning och avbildning minimeras. - Bild provet med lämplig avbildningsteknik, beroende på både prov och Mikroskop. Här används en (S) TEM-enhet som drivs med en accelerations spänning på 300 kV. Använd en låg dos för att minimera beam-inducerad artefakter och en kort exponeringstid för att undvika rörelserelaterade oskärpa34. Vid långtidsförsök, blockera strålen för att minska strålningsskador.
Anmärkning: på grund av en bättre tidsupplösning, TEM är att föredra framför stam för kinetiska analyser34 och reducerad jon reduktion35. Stem, dock, är att föredra för utredning av tjocka flytande skikt och hög-Z element på grund av dess högre rumslig upplösning i tjocka exemplar34,35. -
Bild segmentering metod
- Använd en lämplig bildbehandlings plattform för att extrahera funktioner av intresse. För partikel spårning och analys, Använd öppen källkod ImageJ-distribution FIJI36.
- Utnyttja funktionen analysera partiklar för att få exakt information (projicerade området, barycenter) av varje partikel i varje bildruta.
ANMÄRKNINGAR: den här funktionen kräver binära bilder. - Anslut partiklarna mellan ramarna med hjälp av plugin TrackMate37. Som standard är TrackMate söker efter ljusa partiklar på en mörk bakgrund, så Invertera bilderna (i fallet med BF-TEM) innan du startar TrackMate.
- Kombinera resultaten av trackmate och analysera partiklar med ett lämpligt skript med hjälp av python-baserade ekosystemet scipy38,39.
- Använd FIJI för att extrahera de exakta konturerna av mer komplexa strukturer som dendriter. Här kan man också analysera partiklar (se inuppsättningen figur 6a).
Obs: det kan vara möjligt att analysera funktioner av intresse manuellt.
Representative Results
Efter inläsningen av cellen indikeras en lyckad grafenöverföring av ett olikt skuggat utseendemässigt på brunnarna under ett optiskt mikroskop. Detta syns till exempel i det högra membranet i figur 3c. Som nämnts är det viktigt att försiktigt ta bort TEM-nätet för att inte bryta den tunna si3N4 skikt. I händelse av ett brutet membran, är Lucent och böjda rester klart synliga i det optiska mikroskopet, som visas i vänster två membran i figur 3c. På grund av flera visningsområden i den utnyttjade GSMLC design, cellen kan användas så länge som minst ett membran är intakt. Brutna membran kan användas för TEM-justering utan att utsätta preparatet för elektronstrålen.
En lyckad inkapsling av preparat lösningen kan verifieras under elektronmikroskopi. Figur 5 presenterar enskilda mikrografer av kompletterande video 1, där upplösningen av en ensemble av nanopartiklar och tillväxten av en dendritisk struktur är statistiskt utvärderade i en gsmlc. Förutom den drift-inducerad rörelse av bilden, mindre enskilda ortogonala partikel rörelser är synliga, vilket indikerar att partiklar i lösningen är närvarande. Dessutom visar prevalensen av partikel upplösning att en våt-kemisk reaktion är närvarande som inte skulle vara möjligt utan en lyckad vätska omslutande. Andra typiska indikationer för slutna vätskor är balk-inducerad bubbla formation19 eller partikelrörelse. Närvaron av au-partiklar i enbart grafenceller visar inte slutgiltigt en flytande miljö, eftersom partiklarna också kan bero på den grafeninducerade minskningen av HAuCl440. En kvantifiering av syre topparna för den medföljande vätskan via elektronenergiförlustspektroskopi (ål) kan också utföras för att verifiera en vätske miljö41.
För att få insikter i partikel tillväxt och upplösning kinetik, är det viktigt att undersöka varje partikel individuellt snarare än att analysera utvecklingen av genomsnittliga parametrar42. Det är också viktigt att utesluta partiklar vid ramen kanter som endast delvis fångas av kameran eftersom drifteffekt-relaterade positionsförändringar av sådana partiklar kan misstas som tillväxt eller upplösning processer. Etsning tros orsakas av oxidativa arter som genereras av elektronstråle-inducerad radiolys43. För att ge tillräcklig statistik krävs beräkningsbara enkel partikel spårning. Genom att uppskatta tillväxten exponent α av motsvarande radie variation av enskilda partiklar över tiden, information om den bakomliggande reaktionskinetik kan erhållas. För att göra detta är det möjligt att införa en likvärdig radie baserad på det projicerade partikel området, även om inte alla partiklar är helt sfäriska6,44. Figur 5b visar spårning av motsvarande radier över tid för sex representativa partiklar som är markerade i figur 5a. Figur 5c visar fördelningen av α baserat på 73 upplösande partiklar från den aktuella studien. Endast partiklar där en allometrisk modell förklarar radieminskningen till minst 50% (justerad determinationskoefficient) betraktas.
Dessutom framträder en dendritstruktur snabbt efter ca 42 s i samma brunn avbildad i figur 6a. Dendrite formation är en annan typisk, väl dokumenterad process i flytande celler45,46. För att kvantifiera Dendrit tillväxt analyseras de strukturella skisserar (se infälld i figur 6a). Utvecklingen av tipsradie och hastighet över tid (se figur 6B, c) avslöjar den förväntade hyperboliska relationen47 (figur 6d). Dendrite tillväxten orsakas av lokala övermättning av au-joner på grund av den ovan nämnda partikel etsning. I figur 5asyns det tydligt att partiklar fortfarande löses upp medan det övermättade systemet slappnar av i Dendrit-tillväxten. Detta kan bero på lokala koncentrations variationer i både au-joner och den oxidativa arten som en följd av den höga viskositeten hos vätskan i GSMLC som har observerats före6. En detaljerad diskussion om detta fenomen ligger dock utanför ramen för detta arbete.
Figur 1: skiss av en GSMLC: schematiska strukturer av en grafenstödd mikrobrunn flytande cell. Omtryckt från https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388 6. Mer ytterligare tillåtelser är att riktas till Amerikanen kemiskt samhälle (ACS). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: tillverkning av GSMLC-ramar. Tillverkningsprocessen av GSMLC-frames är schematiskt skissad. (a) oxidation av Si wafer efter rengöring. b) lpcvd för si3N4. (c) front sida si3N4 mönkning av Photolithography och Rie för att definiera cell volymen. d deposition av Si3N4 för att bilda det nedersta cell fönstret. e baksida litografi och Rie. (f) bulk micromachining med Koh för att skapa en fristående si3N4 membran som innehåller mikrobrunnar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: överlåtelse av få lager CVD-grafen med PMMA skyddsskikt på ett tem-Grid. Överföring av få skikt CVD-grafen på PMMA på toppen av en Holey Carbon-belagda TEM-Grid visas. a) nedsänkning av det fåtal skikt av CVD-GRAFEN på PMMA i en petriskål fylld med di-vatten. (b) den överförda GRAFEN/PMMA-stacken på ett filtrerpapper skärs i bitar som lämpar sig för att täcka GSMLC-ramarna. c) nedsänkning av ett skuret Grafenet/PMMA-stycke. d) överföring av GRAFEN/PMMA-skiktet till ett Holey Carbon-coated tem Grid (e) Graphene/PMMA-stacken efter en lyckad överföring. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 4: borttagning av det översta tem-rutnätet. Torkningsprocessen av en laddad GSMLC dokumenteras med hjälp av ett optiskt mikroskop. a en grafenbelagd tem-Grid placeras ovanpå GSMLC direkt efter lastning. Grafen skiktet är synlig som turkos rektangel som täcker alla tre visningsområden. Dess konturer är grovt skissade av den svarta rektangeln. (b) ett nästan helt klibbat membran syns genom kontrast förändringen mellan det våta (mörkt, jämför med (a)) och det vidhäftade området (turkos) efter ungefär två minuter. (c) en GSMLC efter lyft-off av tem nätet visas, avslöjar två brutna membran (vänster och mitten), och ett membran med framgångsrikt laddade och förseglade mikrobrunnar (höger). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: representativ utveckling av nanopartikelradier. Radien utveckling av 183 enskilda partiklar har spårats. (a) bildsekvens tagen från kompletterande video 1. Sex representativa partiklar markeras. De färgade cirklarna motsvarar den erhållna motsvarande radien. b logaritmisk handling av partikel radier. c histogrammet för 73 partiklar där en negativ allometrisk exponent α har bestämts med hjälp av en automatiserad rutin. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: Dendrite dynamik: den spets radie av fem Dendrit grenar analyseras. Felstaplarna står för respektive standardavvikelse. (a) bildsekvens tagen från kompletterande video 1 som visar den framväxande Dendrite, som är synlig efter ca 42 s. Den infälld i den högra bilden visar den framväxande Dendrit konturer. Här, de rosa konturer motsvarar 42,09 s, röd till 42,7 s, och lila till 43,3 s. (b) utveckling av (i genomsnitt) tipsradie över tid. c den genomsnittliga spets hastighet som ritas över tiden. d) den genomsnittliga tipsradien logaritmiskt plottas mot den genomsnittliga spetsen hastighet, vilket avslöjar ett hyperbolisk beroende (orange kurva). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: SEM-bild av en laddad gsmlc: en representativ SEM-bild förvärvad i HAADF Stem-läge i ett SEM av en laddad gsmlc vid låg accelerations spänning (29 kV) visas. Förutom de framträdande 5 μm breda mikrobrunnarna, är två delvis överlappande cirkulära holeykolnät (2 μm diameter) som härrör från grafen överföringen klarlagd ovan synlig. Det första kol nätet härstammar från en misslyckad grafenöverföring. Det är väl synligt att membran skuggningen stannar mestadels konstant över brunnen regionen, men något mörknar mot brunnen centrum. Detta står för svaga, negativa utbuktning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande video 1: in situ -video som visar representativa resultat av en flytande cell ljust fält tem studie av etsning av au nanopartiklar och efterföljande tillväxt av en Dendrit struktur orsakad av övermättning av den omgivande preparat lösningen. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Discussion
I motsats till kommersiellt tillgängliga vätske celler, skräddarsydda GSMLCs har fördelen att de kan utformas för att passa in lätt tillgängliga TEM innehavare och inte kräver en dyr, dedikerad flytande cell TEM Holder.
Den GSMLC arkitektur som demonstreras här kombinerar aspekter av SiLCs och GLCs som potentiellt kan leda till unika fördelar. Å ena sidan, SiLCs möjliggöra en exakt bestämning av cell position och form, men kräver relativt tjocka si3N4 membran för att minska utbuktande effekter samtidigt i slutändan minska den uppnåeliga upplösningen. GLCs, å andra sidan, uppvisar exceptionellt tunna membran väggar bestående av grafen, men lider av slumpmässiga fickstorlekar och positioner. Genom att kombinera dessa två membran metoder via GSMLCs, kan den resolution begränsning som orsakas av cell gränser35 kringgås. Eftersom brunnen struktur tillverkas direkt i si3n4 skikt, kan den faktiska si3n4 membran konstrueras ännu mindre än i Silks, förenkla Hrtem analyser som redan har visats i gsmlcs6 . Det bör dock noteras att HRTEM i allmänhet är möjligt med SiLCs samt48. Dessutom kan stora visningsområden realiseras utan allvarliga fönster utbuktning på grund av de små membran områden av enskilda preparat kammare. Därmed, svällande-relaterade tjocklek ökning35 kan uteslutas i stor utsträckning, som visas av Dukes et al.49. Detta visas i figur 7, där en representativ hög vinkel ringformig mörk fält (haadf) stam bilden av Al Loaded GSMLC är visad. Denna bild förvärvades med hjälp av ett Dual-beam-system. Eftersom bildens ljusstyrka som förvärvas i denna inställning är direkt relaterad till preparat tjockleken, är det tydligt att de förseglade mikrobrunnarna uppvisar endast små negativa utbuktning. Kelly et al.24 har visat att den negativa utbuktning och delvis väl torkning synlig i figur 7 beror på brunnen diameter. Att minska brunnen diameter är därför en genomförbar metod för att homogenisera den flytande tjockleken ännu längre.
Tack vare som equilibriumen fick form av GLCs, är vätske tjockleken också starkt plats-anhörigen35. SiLCs följa utformningen av två membran som härrör från olika si wafers. Genom att ersätta den övre si3N4 -membranet med grafen, är flytande cell tillverkning förenklad. Detta innebär att möjligt delaminering av två bundna si-rån under de efterföljande våt etsning steg kan undvikas och anpassningen av två wafer bitar under cell lastning utelämnas. Den plana ytan på ena sidan av denna cell arkitektur möjliggör kompletterande in situ -analysmetoder såsom edxs-analys av preparat6, som är begränsad i konventionella SiLC-arkitekturer genom skuggeffekter vid branta si-kanter50 .
Tätning premönstrade mikrobrunnar med grafen på både botten och övre brunnen plats har visats före24,25. Applicering av två grafenmembran kan förbättra den uppnåeliga upplösningen. En tvådelad grafenöverföring skulle emellertid försvåra förberedelseprocessen ytterligare. särskilt eftersom detta har visat sig vara det känsligaste förberedelsesteget (se nedan). Vidare, den ovan diskuterade membran utbuktande förväntas bli ännu mer kritisk vid två grafenmembran, eftersom grafen är mycket mer flexibel än en SI3N4 skikt. I dessa arkitekturer konstruerades mikrobrunnarna med hjälp av sekventiellt fokuserad jonstråle (FIB) fräsning. Även om detta tillvägagångssätt har visat sig ge högkvalitativa resultat, FIB fräsning är komplicerad och dyr cell produktion teknik. Använda massivt parallella Single-Shot mönster teknik som redan är standard i dagens halvledarindustrin såsom Nanoimprint-eller Photolithography, dock har den stora fördelen att vara snabb, billig och skalbar för massproduktion.
Det bör noteras att det tillvägagångssätt som presenteras här inte medger vätske flödes drift, vilket kan uppnås med andra konstruktioner28. Eftersom lastning och vätskevolym är jämförbara för GSMLCs och GLCs, kan en förorening av högvakuum på grund av bristning av membranet undvikas19. Detta eliminerar behovet av en besvärlig tätning kontroll. Även om fördelarna med SiLCs och GLCs har kombinerats, nackdelarna med båda metoderna är fortfarande närvarande i GSMLCs. Tillverkningen av cellerna kräver en ren rums infrastruktur för kiselteknik, som inte nödvändigtvis finns i TEM laboratorier. Dessutom är flytande lastning inte trivialt. Det kräver en dedikerad utbildning, liknande grafenceller. Detta gäller dock även för kommersiellt tillgängliga system. Här är det mest känsliga förberedelsesteget TEM-Grid avlägsnande efter grafen överföringen eftersom hudutslag rörelser eller nervositet är sannolikt att bryta si3N4 skikt. De redundanta membran Fönstren ökar dock chanserna att bevara minst ett membran område. Som en följd av detta är avkastningen (mängden operabla GSMLC chips) som uppnåtts av en utbildad försöksledaren tre av fyra6, och därmed överskrider den som uppnås med grafenbaserade celler (en till två av fyra)19.
Som med GLCs, är den flytande inkapsling i GSMLCs baserad på Van-der-Waals interaktioner18. Följaktligen kan gränssnitts förorening sänka framgångs graden vid bearbetning av GSMLCs19. Dessutom, beroende på hamaker konstant i att-vara-inkapslad flytande fas, vätning egenskaper under lastning förfarande (och därmed uppnåeliga avkastning) kan skilja51 och därför preparatet kan vara komplicerat. Vår erfarenhet visar att så är fallet om exempelvis amfifila arter förekommer.
GSMLC-arkitekturen möjliggör flexibel konfiguration av väl djup, vilket möjliggör anpassning till olika experimentella förutsättningar. Dessutom lämpar sig arkitekturen för elektron tomografi-undersökningar över ett brett lutningsvinkel område på ± 75 °, vilket också skulle möjliggöra in situ -elektrontomografi52. Därför kan också in situ -och Postmortem -tomografi av preparat i vätska fastställas med gsmlcs.
Disclosures
Vi har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi tackar Tilo Schmutzler för beredningen av HAuCl4 -lösningen. Dessutom tackar vi R. Christian Martens för korrekturläsning. Finansiellt stöd från den tyska Research Foundation (DFG) via forskarutbildningsgruppen GRK 1896 "in situ mikroskopi med elektroner, röntgenstrålar och scanning sonder" och genom Cluster of Excellence EXC 315/2 EAM "Engineering av avancerade material" är tacksamt erkänt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
| Ethanol | VWR Chemicals | 85651.360 | VLSI |
| FIJI Is Just ImageJ | FIJI.sc | Version 1.51 | |
| Gold Quantifoil, Amorphous Carbon TEM Grids | Plano GmbH | S173-8 | R 2/2 Au 300 mesh |
| 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 | |
| NumPy-Package | NumPy developers | Version 1.15.4 | |
| Pandas-Package | AQR Capital Management, LLC, Lambda Foundry, Inc. and PyData Development Team | Version 0.23.4 | |
| Python | Python Software Foundation | Version 3.7 | |
| Scipy-Package | SciPy developers | Version 1.1.0 | |
| Seaborn-Package | Michael Waskom | Version 0.9.0 | |
| Si wafer | Siegert Wafer GmbH | Thin silicon (100) wafer 175 +/-5 µm, 4", p-type, boron doped (1-30 Ohm cm), double-sided polished | |
| single tilt TEM holder | Philips | Ensure that cell fits | |
| Transmission Electron Microscope | Philips | CM 30 (S)TEM | 300 kV |
| Trivial Transfer Graphene | ACS Material | TTG60011 | PMMA-covered, 6 -- 8 MLs |
References
- Hell, S. W., Wichmann, J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. Optics Letters. 19 (11), 780 (1994).
- Ross, F. M. Liquid Cell Electron Microscopy. , Cambridge University Press. (2016).
- Alloyeau, D., et al. Unravelling kinetic and thermodynamic effects on the growth of gold nanoplates by liquid transmission electron microscopy. Nano Letters. 15 (4), 2574-2581 (2015).
- Tao, J., Nielsen, M. H., Yoreo, J. J. de Nucleation and phase transformation pathways in electrolyte solutions investigated by in situ microscopy techniques. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 34, 74-88 (2018).
- Jin, B., Sushko, M. L., Liu, Z., Jin, C., Tang, R. In Situ Liquid Cell TEM Reveals Bridge-Induced Contact and Fusion of Au Nanocrystals in Aqueous Solution. Nano Letters. 18 (10), 6551-6556 (2018).
- Hutzler, A., et al. Unravelling the mechanisms of gold-silver core-shell nanostructure formation by in situ TEM using an advanced liquid cell design. Nano Letters. 18 (11), 7222-7229 (2018).
- Moser, T. H., et al. The role of electron irradiation history in liquid cell transmission electron microscopy. Science Advances. 4 (4), eaaq1202 (2018).
- Keskin, S., Jonge, N. de Reduced Radiation Damage in Transmission Electron Microscopy of Proteins in Graphene Liquid Cells. Nano Letters. 18 (12), 7435-7440 (2018).
- Firlar, E., et al. Investigation of the magnetosome biomineralization in magnetotactic bacteria using graphene liquid cell - transmission electron microscopy. Nanoscale. 11 (2), 698-705 (2019).
- Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable graphenic encasement of bacteria. Nano letters. 11 (3), 1270-1275 (2011).
- Gu, M., et al. Demonstration of an electrochemical liquid cell for operando transmission electron microscopy observation of the lithiation/delithiation behavior of Si nanowire battery anodes. Nano Letters. 13 (12), 6106-6112 (2013).
- Lutz, L., et al. Operando Monitoring of the Solution-Mediated Discharge and Charge Processes in a Na-O2 Battery Using Liquid-Electrochemical Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 18 (2), 1280-1289 (2018).
- Chee, S. W., et al. Studying localized corrosion using liquid cell transmission electron microscopy. Chemical Communications. 51 (1), Cambridge, England. 168-171 (2015).
- 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 (1), 359-364 (2014).
- Tomo, Y., Li, Q. -Y., Ikuta, T., Takata, Y., Takahashi, K. Unexpected Homogeneous Bubble Nucleation Near a Solid-Liquid Interface. The Journal of Physical Chemistry. 122 (50), 28712-28716 (2018).
- Shin, D., et al. Growth dynamics and gas transport mechanism of nanobubbles in graphene liquid cells. Nature Communications. 6, 6068 (2015).
- Zheng, H., Claridge, S. A., Minor, A. M., Alivisatos, A. P., Dahmen, U. Nanocrystal diffusion in a liquid thin film observed by in situ transmission electron microscopy. Nano Letters. 9 (6), 2460-2465 (2009).
- Yuk, J. M., et al. High-resolution EM of colloidal nanocrystal growth using graphene liquid cells. Science. 336 (6077), New York, N.Y. 61-64 (2012).
- Hauwiller, M. R., Ondry, J. C., Alivisatos, A. P. Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching. Journal of Visualized Experiments. (135), (2018).
- 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).
- Textor, M., de Jonge, N. Strategies for Preparing Graphene Liquid Cells for Transmission Electron Microscopy. Nano letters. 18 (6), 3313-3321 (2018).
- Huang, T. -W., et al. Self-aligned wet-cell for hydrated microbiology observation in TEM. Lab on a chip. 12 (2), 340-347 (2012).
- Dukes, M. J., Moering, J., Damiano, J. Optimization of Liquid Cell Transmission Electron Microscopy for Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy. Microscopy and Microanalysis. 24 (S1), 304-305 (2018).
- Kelly, D. J., et al. Nanometer Resolution Elemental Mapping in Graphene-Based TEM Liquid Cells. Nano letters. 18 (2), 1168-1174 (2018).
- Rasool, H., Dunn, G., Fathalizadeh, A., Zettl, A. Graphene-sealed Si/SiN cavities for high-resolution in situ electron microscopy of nano-confined solutions. Physica Status Solidi (b). 253 (12), 2351-2354 (2016).
- Kröger, R., Verch, A. Liquid Cell Transmission Electron Microscopy and the Impact of Confinement on the Precipitation from Supersaturated Solutions. Minerals. 8 (1), 21 (2018).
- Stawski, T. M., et al. "On demand" triggered crystallization of CaCO3 from solute precursor species stabilized by the water-in-oil microemulsion. Physical Chemistry Chemical Physics. 20 (20), 13825-13835 (2018).
- Klein, K. L., Anderson, I. M., de Jonge, N. Transmission electron microscopy with a liquid flow cell. Journal of Microscopy. 242 (2), 117-123 (2011).
- Hutzler, A., Branscheid, R., Jank, M. P. M., Frey, L., Spiecker, E. Graphene-supported microwell liquid cell for in situ studies in TEM and SEM European Microscopy Congress 2016: Proceedings. , Wiley-VCH Verlag GmbH. Weinheim, Germany. 209-210 (2016).
- Jiang, N. Note on in situ (scanning) transmission electron microscopy study of liquid samples. Ultramicroscopy. 179, 81-83 (2017).
- 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 (2017).
- Hutzler, A., et al. Large-Area Layer Counting of Two-Dimensional Materials Evaluating the Wavelength Shift in Visible-Reflectance Spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (14), 9192-9201 (2019).
- Hutzler, A., Matthus, C. D., Rommel, M., Frey, L. Generalized approach to design multi-layer stacks for enhanced optical detectability of ultrathin layers. Applied Physics Letters. 110 (2), 21909 (2017).
- Zhu, G., Reiner, H., Cölfen, H., de Yoreo, J. J. Addressing some of the technical challenges associated with liquid phase S/TEM studies of particle nucleation, growth and assembly. Micron. 118, 35-42 (2019).
- de Jonge, N., Houben, L., Dunin-Borkowski, R. E., Ross, F. M. Resolution and aberration correction in liquid cell transmission electron microscopy. Nature Reviews Materials. 4 (1), 61 (2019).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676 (2012).
- Tinevez, J. -Y., et al. TrackMate: An open and extensible platform for single-particle tracking. Methods. 115, 80-90 (2017).
- Oliphant, T. E. Python for Scientific Computing. Computing in Science & Engineering. 9 (3), 10-20 (2007).
- Millman, K. J., Aivazis, M. Python for Scientists and Engineers. Computing in Science & Engineering. 13 (2), 9-12 (2011).
- Zaniewski, A. M., Trimble, C. J., Nemanich, R. J. Modifying the chemistry of graphene with substrate selection: A study of gold nanoparticle formation. Applied Physics Letters. 106 (12), 123104 (2015).
- Holtz, M. E., Yu, Y., Gao, J., Abruña, H. D., Muller, D. A. In situ electron energy-loss spectroscopy in liquids. Microscopy and Microanalysis. 19 (4), 1027-1035 (2013).
- Wang, M., Park, C., Woehl, T. J. Quantifying the Nucleation and Growth Kinetics of Electron Beam Nanochemistry with Liquid Cell Scanning Transmission Electron Microscopy. Chemistry of Materials. 30 (21), 7727-7736 (2018).
- Woehl, T. J., Abellan, P. Defining the radiation chemistry during liquid cell electron microscopy to enable visualization of nanomaterial growth and degradation dynamics. Journal of Microscopy. 265 (2), 135-147 (2017).
- Ngo, T., Yang, H. Toward Ending the Guessing Game: Study of the Formation of Nanostructures Using In Situ Liquid Transmission Electron Microscopy. The Journal of Physical Chemistry Letters. 6 (24), 5051-5061 (2015).
- Kraus, T., de Jonge, N. Dendritic gold nanowire growth observed in liquid with transmission electron microscopy. Langmuir. 29 (26), 8427-8432 (2013).
- Hauwiller, M. R., et al. Dynamics of Nanoscale Dendrite Formation in Solution Growth Revealed Through in Situ Liquid Cell Electron Microscopy. Nano Letters. 18 (10), 6427-6433 (2018).
- Glicksman, M. E. Dendritic Growth. Handbook of Crystal Growth. Nishinga, T., Kuech, T. F., Rudolph, P. , Elsevier. Amsterdam. 669-722 (2015).
- Li, D., et al. Direction-specific interactions control crystal growth by oriented attachment. Science. 336 (6084), 1014-1018 (2012).
- Dukes, M. J., et al. Improved microchip design and application for in situ transmission electron microscopy of macromolecules. Microscopy and Microanalysis. 20 (2), 338-345 (2014).
- Zaluzec, N. J., Burke, M. G., Haigh, S. J., Kulzick, M. A. X-ray energy-dispersive spectrometry during in situ liquid cell studies using an analytical electron microscope. Microscopy and Microanalysis. 20 (2), 323-329 (2014).
- Bonn, D., Eggers, J., Indekeu, J., Meunier, J., Rolley, E. Wetting and spreading. Reviews of Modern Physics. 81 (2), 739 (2009).
- Karakulina, O. M., Demortière, A., Dachraoui, W., Abakumov, A. M., Hadermann, J. In Situ Electron Diffraction Tomography Using a Liquid-Electrochemical Transmission Electron Microscopy Cell for Crystal Structure Determination of Cathode Materials for Li-Ion batteries. Nano Letters. , (2018).
