Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Utarbeidelse av grafen-støttede Mikrotiterplateleser væske celler for in situ Transmission Electron mikroskopi

Published: July 15, 2019 doi: 10.3791/59751
Automatic Translation
*1, *1, 2, 3, 3, 1,2,4
1Electron Devices (LEB), Department of Electrical, Electronic and Communication Engineering, Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg, 2Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology (IISB), 3Institute of Micro- and Nanostructure Research (IMN) and Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM), Department of Materials Science and Engineering, Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg, 4Power Electronics (LEE), Department of Electrical, Electronic and Communication Engineering, Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg
* These authors contributed equally

Summary

En protokoll for fremstilling av grafen-støttede mikrotiterplateleser væske celler for in situ Electron mikroskopi av gull nanokrystaller fra HAuCl4 forløper løsning presenteres. Videre presenteres en analyse rutine for å kvantifisere observert etsing og vekst dynamikk.

Abstract

Fabrikasjon og fremstilling av grafen-støttede mikrotiterplateleser væske celler (GSMLCs) for in situ Electron mikroskopi er presentert i en trinnvis protokoll. Allsidigheten til GSMLCs er demonstrert i sammenheng med en studie om etsing og vekst dynamikk av gull nanostrukturer fra en HAuCl4 forløper løsning. GSMLCs kombinerer fordelene med konvensjonelle silisium-og grafen-baserte væske celler ved å tilby reproduserbar brønn dybder sammen med facile celle produksjon og håndtering av prøven under etterforskning. GSMLCs er fabrikkert på en enkelt silisium substrat som drastisk reduserer kompleksiteten i produksjonsprosessen i forhold til to-Wafer-baserte flytende celle design. Her kreves ingen bindings-eller justerings prosesstrinn. Videre kan det vedlagte væskevolumet skreddersys til de respektive eksperimentelle kravene ved ganske enkelt å justere tykkelsen på et silisium nitride lag. Dette gjør en betydelig reduksjon av vinduet svulmende i elektronmikroskop vakuum. Endelig, en State-of-the-art kvantitativ evaluering av enkelt partikkel sporing og dendrit dannelse i flytende celle eksperimenter med bare åpen kildekode-programvare presenteres.

Introduction

Moderne materialer vitenskap, kjemi og cellebiologi krever en dyp forståelse av underliggende dynamiske prosesser og effekter på sub-mikron skala. Til tross for kraften i avanserte optiske mikroskopi teknikker som stimulert-utslipp-tømming fluorescens mikroskopi1, Direct Imaging teknikker for å få tilgang til detaljerte morfologier krever elektron mikroskopi. Spesielt in situ (skanning) overføring elektron mikroskopi (S) tem har vist seg å belyse verdifull innsikt i prosess dynamikk ved å innkapsle væsker i dedikerte, vakuum tette celler2. Ulike eksperimenter som kvantitative undersøkelser av nanostructure formasjon Kinetics og termodynamikk3,4,5,6, Imaging av biologiske prøver7, 8 på alle , 9 andre priser , 10 og studier av energilagring-relaterte mekanismer11,12 sammen med omfattende studier av korrosjon prosessen Dynamics13 eller nanobubble fysikk14,15, 16 har unraveled mange fenomener bruker (S) tem som ikke var tilgjengelig ved hjelp av standard mikroskopi teknikker.

I løpet av det siste tiåret har det blitt etablert to store tilnærminger for å realisere in situ VÆSKE celle tem (LCTEM). I den første tilnærmingen, er væsken innkapslet i et hulrom mellom to si3N4 membraner produsert via si prosessteknologi17, mens i den andre, små flytende lommer dannes mellom to grafen eller grafenoksid ark 10,18. Håndteringen av både silisium-baserte væske celler (SiLCs) og grafen-baserte flytende celler (GLCs) har blitt demonstrert19,20,21. Selv om begge tilnærminger har gjennomgått betydelige forbedringer22,23,24,25, de fortsatt mangler i kombinasjon av de respektive fordeler. Generelt finnes det en hestekreftene mellom innkapsle av prøven i ofte udefinert grafen lommer med et lite flytende volum som muliggjør Høyoppløselig bilde18, og veldefinerte celle volumer som resulterer i tykkere membraner og flytende lag, som gir et miljø nærmere den naturlige situasjonen i bulk flytende26 på bekostning av oppløsning2. Videre er noen eksperimenter avhengig av en flytende Flow26,27 som bare har blitt realisert i SiLC arkitekturer og krever en dedikert tem holder28.

Her presenterer vi fabrikasjon og håndtering av en væske celle tilnærming for høy ytelse in situ LCTEM via statiske grafen-støttede mikrotiterplateleser væske celler (GSMLCs) for tem-analyser. En skisse av GSMLC er presentert i figur 1. GSMLCs har vist seg å være i stand til å muliggjøre in situ høyoppløselige Transmission Electron MIKROSKOPI (HRTEM) resultater6 og er også gjennomførbart for in situ Scanning Electron mikroskopi29. Deres si teknologi-basert ramme gjør det mulig for masseproduksjon av reproduserbar formede celler med skreddersydd væske tykkelse og ekstra tynne membraner fra en enkelt wafer. Grafen membran som dekker disse cellene også begrenser elektronstråle-indusert forstyrrelser8,30,31 siden elektron strålen passerer gjennom den øverste grafen membranen først. Den flate topografi av cellene gir mulighet for komplementære analysemetoder som energi-dispersive X-ray spektroskopi (EDXS)6 uten noen skygging effekter som følge av væske cellen selv, slik at en rekke av høy kvalitet in situ flytende celle elektron mikroskopi eksperimenter.

Protocol

1. fabrikasjon av mikrotiterplateleser-baserte flytende cellemaler

  1. Fjern organiske rester og innfødte oksid lag fra en 175 μm tykk, enkelt krystallinsk, bor-dopet (1 – 30) Ωcm, 100 mm diameter (100) silisium wafer. Påfør et oksidasjons trinn med H2O2 og TMAH, etterfulgt av en HF-dukkert i 1 – 5% HF-løsning.
  2. Termisk oksidere på wafer i en tørr oksygen atmosfære ved 800 ° c for å øke et oksid lag med en tykkelse på 11 NM (figur 2a). 3% Dichlorethene (DCE) brukes til å binde metall forurensning.
  3. Innskudd en støkiometriske si3N4 lag via lav-trykk kjemisk damp deponering (LPCVD). Si3N4 Layer tykkelse definerer brønn dybden. Velg en verdi som passer for det planlagte eksperimentet (f.eks. 500 NM) (fig. 2b).
  4. Definer side brønn geometrien ved å strukturere forsiden via Foto litografi og reaktiv ion etsing (Rite) (figur 2C). Egnede dimensjoner er for eksempel sirkulære konstruksjoner med 2,5 μm radius arrangert i sekskantede arrays. Velg godt avstand nøye (for eksempel 5 μm), for å unngå ustabilitet i strukturen.
  5. Innskudd ytterligere 20 NM støkiometriske si3N4 av LPCVD, som danner den nederste membranen av væsken cellen (figur 2D). Følg fremgangsmåten som er beskrevet ovenfor (se trinn 1,3).
  6. Bruk en andre foto litografi/Rite trinn for å strukturere baksiden som senere definerer de geometriske dimensjonene av LC ramme og dens TEM Vinduer (figur 2e) (Frame diameter: 3 mm).
  7. Via bulk-micromachining i 20% KOH at 60 ° c, Fjern si i det forhåndsdefinerte området og lage en frittstående si3N4 membran (figur 2F).
  8. Fjern rester av metall ioner i et slutt rengjørings trinn med 10% HCl-løsning og deionisert (DI) vann.

2. overføring av grafen til TEM nett

  1. Fukt vevet der de kommersielt kjøpte få lag (6 – 8) CVD-grafen på PMMA er plassert. Dypp PMMA-belagt grafen i en Petri rett fylt med DI vann (figur 3a).
    Merk: antall lag av grafen kan bestemmes ved hjelp av gjennomførbare teknikker32,33.
  2. Plasser grafen lag på et filter papir og skjær den i biter egnet til å dekke alle produserte brønner (f. eks, 4 mm ²) (figur 3b).
  3. Dypp de kuttet brikkene på nytt inn i Petri parabolen (figur 3c).
  4. Bruk en TEM rutenett belagt med et støtte lag av holey karbon å fiske de produserte bitene ut av DI vann. For å gjøre dette, forsiktig dykke rutenettet i vannet og fange grafen flytende på overflaten. Hold rutenettet med anti-kapillær pinsett (figur 3D, e).
    Merk: Vær oppmerksom på at grafen til grafen-PMMA-stakken holder seg på toppen under hele prosedyren. Ellers vil den påfølgende PMMA-fjerningen løfte-av grafen laget.
  5. La arkene tørke i noen timer.
  6. Fjern PMMA beskyttelseslag i en aceton bad for 30 min og fortløpende legge ytterligere rengjøring trinn ved å fordype i etanol og DI vann uten å tørke prøven i mellom. Bruk et flatt fartøy (f.eks. en Petri-tallerken) for å forenkle prøve overføringen etterpå.
  7. Tørk prøven etterpå i 30 minutter ved omgivelsesforhold.

3. forberedelse av prøver

  1. Klargjør prøven for innlemmelse i GSMLC. For å gjøre dette, klargjør en 1 mM lagerløsning ved å løse 196,915 mg HAuCl4· 3t2O krystaller i 0,5 L av di vann.
  2. Ta den ønskede mengden av prøven fra lager løsningen. Her påføres 0,5 μL. Dette kan gjøres ved hjelp av en sprøyte eller en Eppendorf pipette.

4. GSMLC lasting

  1. Skyll den fabrikkert flytende cellemalen med aceton og etanol.
  2. Bruke en ambient O2/n2 (20%/80%) plasma i 5 min for å forsterke fukteevne av membranen.
  3. Dispensere 0,5 μL prøve løsning på malen eller grafen laget. Sikre en glatt arbeidsprosedyre for å minimere endringer i konsentrasjonen på grunn av fordampning.
  4. Plasser TEM rutenettet på mikro-mønstret si3N4 lag med grafen vendt mot malen. Trykk grafen belagte TEM-rutenettet på malen. Vær forsiktig så du ikke ødelegge bunnen si3N4 membran.
  5. Fjern overflødig oppløsning med et vev for å akselerere celle tørking og dermed redusere konsentrasjonen endringer (figur 4a). Etter ca. 2 – 3 minutter forsegler grafen-si3N4 Van-der-Waals interaksjon væske cellen (figur 4b). Du kan også la cellen tørke helt ut uten å fjerne overflødig oppløsning. Sistnevnte tilbyr en høyere suksess rate i cellen behandling. Imidlertid forventes fordampning-baserte konsentrasjons endringer i prøve løsningen å bli mer alvorlig ved bruk av denne tilnærmingen.
    Merk: den vellykkede tørkeprosessen kan verifiseres med en kontrast endring i periferien (sammenlign figur 4a, b).
  6. Fjern forsiktig TEM-rutenettet med en TWEEZER ved å skyve en TWEEZER spiss mellom risten og GSMLC-rammen.
    Merk: hud bevegelser kan ødelegge den underliggende membranen. For å redusere skjærkraft skade, starter fra Rutenettet området parallelt med mindre vindu kanten.
  7. Sjekk, om minst en membran av GSMLC er fortsatt intakt via optiske mikroskopi (figur 4c). Hvis alle membraner ble brutt, ville LCTEM være umulig.

5. TEM Imaging og video analyse

  1. Legg prøven til et (S) TEM rett etter tilberedning ved hjelp av en standard TEM-holder.
    Merk: som det er rapportert for GLCs19, kan GSMLCs tørke ut over tid. Derfor bør tiden mellom lasting og bildebehandling minimeres.
  2. Bilde prøven med en egnet bildeteknikk, avhengig av både prøven og mikroskopet. Her brukes en (S) TEM-enhet ved en akselerasjons spenning på 300 kV. Bruk en lav dose for å minimere stråle induserte artefakter og en kort eksponeringstid for å unngå bevegelses relatert uskarphet34. I tilfelle av langsiktige eksperimenter, blokkere strålen for å redusere stråling skade.
    Merk: på grunn av en bedre Temporal oppløsning, skal TEM foretrekkes fremfor STEM for kinetisk analyse34 og redusert ion reduksjon35. Stem, derimot, foretrekkes for etterforskning av tykke flytende lag og høy-Z elementer på grunn av sin høyere romlig oppløsning i tykke eksemplarer34,35.
  3. Bilde segmentering metode
    1. Bruk en egnet bildebehandling plattform for å trekke ut funksjoner av interesse. For partikkel sporing og analyse, bruk åpen kilde ImageJ-distribusjon FIJI36.
    2. Bruk funksjonen analyser partikler for å få presis informasjon (projisert område, barysenter) for hver partikkel i hver ramme.
      Merk: denne funksjonen krever binære bilder.
    3. Koble partiklene mellom rammene ved hjelp av plugin TrackMate37. Som standard er TrackMate søker etter lyse partikler på en mørk bakgrunn, så invertere bildene (i tilfelle av BF-TEM) før du starter TrackMate.
    4. Kombiner resultatene av TrackMate og analysere partikler med et egnet skript utnytte python-basert åpen kildekode-økosystemet SciPy38,39.
    5. Bruk FIJI til å trekke ut de nøyaktige konturene av mer komplekse strukturer som dendrites. Her kan analyser partikler også brukes (se innfelt figur 6a).
      Merk: det kan være mulig å analysere funksjoner av interesse manuelt.

Representative Results

Etter lasting av cellen, er en vellykket grafen overføring indikert med en ulikt skyggelagt utseende på brønnene under et optisk mikroskop. Dette er synlig, for eksempel i riktig membran av figur 3c. Som nevnt, er det avgjørende å forsiktig fjerne TEM-Grid for å ikke bryte den tynne si3N4 Layer. I tilfelle av brukket membran, Lucent og buede rester er godt synlig i det optiske mikroskopet, som vist i venstre to membraner av figur 3c. På grunn av det mangfoldig ser arealer inne det anvende GSMLC tegning, cellen kan brukes idet lang idet det vil si ettall hinne er Behold. Ødelagte membraner kan brukes til TEM justering uten å utsette prøven til elektron strålen.

En vellykket innkapsling av prøve løsningen kan verifiseres under elektron mikroskopi. Figur 5 presenterer individuelle micrographs av supplerende video 1, der oppløsningen av et ensemble av nanopartikler og veksten av en dendrittiske struktur er STATISTISK evaluert i en GSMLC. I tillegg til drift-indusert bevegelse av bildet, er mindre individuelle ortogonale partikkel bevegelser synlige, noe som indikerer at partikler i løsningen er til stede. Videre viser utbredelsen av partikkel oppløsning at en våt-kjemisk reaksjon er til stede som ikke ville være mulig uten en vellykket væske omslutter. Andre typiske indikasjoner for lukkede væsker er stråle-indusert boble formasjon19 eller partikkel bevegelse. Tilstedeværelsen av au-partikler i grafen-utvalgte celler alene ikke indikerer sikkert et flytende miljø, siden partiklene også kan stamme fra grafen-indusert reduksjon av HAuCl440. En kvantifisering av oksygen toppene i vedlagte væske via elektron energitap spektroskopi (ÅL) kan også utføres for å verifisere et flytende miljø41.

For å få innsikt i partikkel vekst og oppløsning Kinetics, er det viktig å undersøke hver partikkel individuelt i stedet for å analysere utviklingen av gjennomsnittlig parametrene42. Det er også viktig å ekskludere partikler på rammekantene som bare delvis fanges opp av kameraet fordi effekt relaterte endringer i slike partikler kan bli feil som vekst-eller oppløsnings prosesser. Etsing antas å være forårsaket av oksidativt arter generert av elektronstråle-indusert radiolysis43. For å gi tilstrekkelig statistikk, er beregningsorientert enkelt partikkel sporing nødvendig. Ved å estimere vekst eksponent α av tilsvarende radius variasjon av individuelle partikler over tid, kan informasjon om den underliggende reaksjons Kinetics fås. For å gjøre dette, er det mulig å innføre en tilsvarende radius basert på det projiserte partikkel området, selv om ikke alle partiklene er helt sfærisk6,44. Figur 5B viser sporing av tilsvarende radier over tid for seks representative partikler som er uthevet i figur 5a. Figur 5c viser fordelingen av α basert på 73 oppløsnings partikler fra denne studien. Bare partikler hvor en allometric modell forklarer radius nedgangen til minst 50% (justert koeffisient av besluttsomhet) regnes.

Videre kommer en dendrit struktur raskt etter ca 42 s i samme brønn avbildet i figur 6a. Dendrit formasjon er en annen typisk, godt dokumentert prosess i flytende celler45,46. For å kvantifisere dendrit vekst, blir de strukturelle konturene (se innfelt i figur 6a) analysert. Utviklingen av spissen radius og hastighet over tid (se figur 6b, c) avslører den forventede hyperbolske forholdet47 (figur 6d). Dendrit vekst er forårsaket av lokale overmetning av au-ioner på grunn av den nevnte partikkel etsing. I figur 5aer det klart synlig at partiklene fortsatt oppløses mens overmettet systemet slapper av i dendrit vekst. Dette kan være forårsaket av lokale konsentrasjons variasjoner i både au-ioner og oksidativt arter som et resultat av den høye viskositet av væsken i GSMLC som har blitt observert før6. En detaljert drøfting av dette fenomenet er imidlertid utenfor omfanget av dette arbeidet.

Figure 1
Figur 1: skisse av en GSMLC: skjematisk av strukturen i en grafen-støttet mikrotiterplateleser væske celle. Gjengitt fra https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388 6. Ytterligere tillatelser skal rettes til American Chemical Society (ACS). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: fabrikasjon av GSMLC-rammer. Den fabrikasjon prosessen av GSMLC-rammer er skjematisk skissert. (a) oksidasjon av si wafer etter rengjøring. (b) LPCVD av si3N4. (c) forsiden si3N4 mønster av foto litografi og Rite for å definere celle Volume. (d) deponering av si3N4 for å danne det nederste celle vinduet. (e) back-side LITOGRAFI og Rite. (f) bulk MICROMACHINING med Koh for å skape en frittstående si3N4 membran som inneholder microwells. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: overføring av få-LAGS CVD-grafen med PMMA beskyttelse lag på en tem-Grid. Overføring av få-lags CVD-grafen på PMMA på toppen av en holey karbon-belagt TEM-Grid vises. (a) nedsenking av de få-lags CVD GRAFEN på PMMA i en Petri parabolen fylt med di vann. (b) overført GRAFEN/PMMA stabel på et filter papir er skåret i biter egnet til å dekke GSMLC-rammer. (c) re-nedsenking av et kutt GRAFEN/PMMA stykke. (d) overføring av GRAFEN/PMMA laget til en holey karbon-belagt tem Grid (e) grafen/PMMA stabel etter en vellykket overføring. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: fjerning av toppen tem rutenettet. Tørkeprosessen av en ladd GSMLC er dokumentert ved hjelp av et optisk mikroskop. (a) en grafen-belagt tem rutenett er plassert på toppen av GSMLC rett etter lasting. Grafen laget er synlig som turkis rektangel som dekker alle tre visningsområder. Dens skisserer er grovt skissert av svart rektangel. (b) en nesten fullstendig overholdt membran er synlig ved kontrast endringen mellom den våte (mørk, sammenlign med (a)) og det overholdt området (turkis) etter ca to minutter. (c) en GSMLC etter lift-off av tem rutenettet er vist, avslører to ødelagte membraner (venstre og midten), og en membran med hell lastet og forseglet microwells (høyre). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: representativ utvikling av nanopartikkel radier. RADIUS utviklingen av 183 individuelle partikler har blitt sporet. (a) bildesekvens Hentet fra supplerende video 1. Seks representative partikler er uthevet. De fargede sirklene tilsvarer den oppnådde tilsvarende radius. (b) logaritmisk plott av partikkel radier. (c) histogrammet av 73 partikler der en negativ allometric eksponent α har blitt bestemt ved hjelp av en automatisert rutine. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: dendrit dynamikk: tips radius på fem dendrit grener analyseres. Feilfelt står for det respektive standardavviket. (a) bildesekvens Hentet fra supplerende video 1 viser den nye dendrit, som er synlig etter ca 42 s. Den innfelte i høyre bildet viser utvikling dendrit konturer. Her, den rosa skisserer tilsvare 42,09 s, rød til 42,7 s, og lilla til 43,3 s. (b) utvikling av (gjennomsnitt) spissen radius over tid. (c) gjennomsnittlig spiss hastighet plottet over tid. (d) den gjennomsnittlige spissen radius logaritmisk plottet mot gjennomsnittlig spissen hastighet, avslører en hyperbolske avhengighet (oransje kurve). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: SEM bilde av en lastet GSMLC: en REPRESENTATIV SEM bilde ervervet i HAADF Stem-modus i en SEM av en lastet GSMLC ved lav akselerasjon spenning (29 kv) vises. Foruten de prominente 5 μm brede microwells, to delvis overlappende sirkulær holey karbon nett (2 μm diameter) som stammer fra grafen overføringen belyst ovenfor er synlig. Det første karbon nettet stammer fra en mislykket grafen overføring. Det er klart synlig at membranen skygger forblir det meste konstant over brønnen regionen, men litt mørkere mot brønnen sentrum. Dette står for svake, negative svulmende. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Supplerende video 1: in situ video som viser representative resultater av en flytende cellelyse felt tem studie av etsing av au nanopartikler og påfølgende vekst av en dendrit struktur forårsaket av overmetning av den omkringliggende prøve løsningen. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

I motsetning til kommersielt tilgjengelige flytende celler, skreddersydde GSMLCs har den fordelen at de kan utformes for å passe inn i lett tilgjengelige TEM holdere og ikke krever en kostbar, dedikert væske celle TEM holderen.

GSMLC-arkitekturen som er vist her, kombinerer aspekter ved SiLCs og GLCs som potensielt kan føre til unike fordeler. På den ene siden, SiLCs tillate en presis bestemmelse av celle posisjon og form, men krever relativt tykk si3N4 membraner for å redusere svulmende effekter mens slutt redusere oppnåelig oppløsning. GLCs, derimot, viser eksepsjonelt tynne membran vegger bestående av grafen, men lider av tilfeldige Pocket størrelser og posisjoner. Ved å kombinere disse to membran tilnærminger via GSMLCs, oppløsning begrensningen forårsaket av cellegrensene35 kan omgås. Som brønnen strukturen er fabrikkert direkte inn i si3n4 Layer, den faktiske si3n4 membran kan KONSTRUERES enda mindre enn i SiLCs, forenkle HRTEM analyser som allerede er påvist i GSMLCs6 . Likevel bør det bemerkes at HRTEM generelt er mulig med SiLCs også48. Videre kan store visningsområder realiseres uten alvorlig vindu svulmende på grunn av de små membran områder av de enkelte prøve kamre. Dermed kan svulmende-relaterte tykkelse øke35 utelukkes i stor grad, som vist ved Dukes et al.49. Dette er demonstrert i figur 7, der en representativ høy vinkel Ringformet mørkt felt (HAADF) Stem bilde av Al lastet GSMLC vises. Dette bildet ble anskaffet ved hjelp av en dual-Beam system. Siden bildets lysstyrke ervervet i dette oppsettet er direkte relatert til prøven tykkelse, er det klart synlig at den forseglede microwells viser bare små negative svulmende. Kelly et al.24 har vist at de negative svulmende og delvis godt tørking synlig i figur 7 avhenger av brønn diameter. Å redusere brønn diameteren er derfor en mulig tilnærming for å homogenisere væske tykkelsen ytterligere.

På grunn av likevekt lommen form av GLCs, er væsken tykkelse også sterkt område avhengig35. SiLCs følger utformingen av to membraner som stammer fra ulike si wafere. Ved å erstatte toppen si3N4 membran med grafen, er flytende celle fabrikasjon forenklet. Dette betyr at mulig delaminering av to bundet si-wafere under påfølgende våte etsing trinnene kan unngås og justeringen av to wafer brikker under celle lasting er utelatt. Den flate overflaten på den ene siden av denne celle arkitekturen muliggjør komplementære in situ analysemetoder som EDXS analyse av prøven6, som er begrenset i konvensjonelle SiLC arkitekturer med skyggeeffekter på bratte si kanter50 .

Tetting prepatterned microwells med grafen på både bunn og topp brønn området har blitt demonstrert før24,25. Påføring av to grafen membraner kan forbedre oppnåelig oppløsning. En todelt grafen overføring vil imidlertid komplisere forberedelsesprosessen videre; spesielt siden dette har vist seg å være den mest følsomme Forberedelses trinn (se nedenfor). Videre er det over diskutert membran svulmende ventes å bli enda mer kritisk i tilfelle av to grafen membraner, fordi grafen er mye mer fleksibelt enn en si3N4 Layer. I disse arkitekturer, ble microwells konstruert ved hjelp av sekvensiell fokusert ion Beam (LØGN) fresing. Mens denne tilnærmingen har vist seg å gi resultater av høy kvalitet, er LØGN fresing komplisert og kostbar celle produksjon teknikk. Ved å benytte massivt parallelle enkelt-shot mønster teknikker som allerede er standard i dagens halvleder industri som nanoimprint-eller Foto litografi, har imidlertid den store fordelen av å være rask, billig og skalerbar for masseproduksjon.

Det bør bemerkes at tilnærmingen som presenteres her ikke tillater flytende flyt drift, som er oppnåelig av andre design28. Siden lasting og væske volum er sammenlignbare for GSMLCs og GLCs, en forurensning av høy vakuum på grunn av brudd på membranen kan unngås19. Dette eliminerer behovet for en tungvint sel sjekk. Selv om fordelene med SiLCs og GLCs har blitt kombinert, er ulempene ved begge tilnærmingene fortsatt til stede i GSMLCs. Fabrikasjon av cellene krever et rent rom infrastruktur for silisium-teknologi, som ikke nødvendigvis er til stede i TEM laboratorier. I tillegg er væsken lasting ikke trivielt. Det krever en dedikert opplæring, ligner på grafen celler. Dette gjelder imidlertid også for kommersielt tilgjengelige systemer. Her er den mest følsomme Forberedelses trinn TEM-Grid fjerning etter grafen overføringen fordi hud bevegelser eller variasjonsprosent er sannsynlig å bryte si3N4 Layer. De redundante membran vinduene øker imidlertid sjansene for å bevare minst ett membran område. Som en konsekvens av utbyttet (mengden av operativ GSMLC chips) oppnås ved en utdannet eksperimentator er tre av fire6, og dermed overstiger den oppnådde med grafen-baserte celler (en til to av fire)19.

Som med GLCs, den flytende innkapsling i GSMLCs er basert på Van-der-Waals interaksjoner18. Følgelig kan grensesnitt forurensning senke suksessraten i behandlingen av GSMLCs19. Videre, avhengig av Hamaker konstant av å-være-innkapslet flytende fase, fukting egenskaper under lasting prosedyren (og dermed oppnåelig yield) kan avvike51 og derfor preparatet kan være komplisert. Vår erfaring viser at dette er tilfelle hvis for eksempel amfifile arter er til stede.

GSMLC-arkitekturen muliggjør fleksibel konfigurering av brønn dybder, noe som åpner for tilpasning til ulike eksperimentelle forutsetninger. Videre er arkitekturen egnet for elektron tomografi undersøkelser over et bredt vippe vinkel område på ± 75 °, som også vil muliggjøre in situ electron tomografi52. Derfor kan det også etableres in situ og obduksjon tomografi av prøven i væske med GSMLCs.

Disclosures

Vi har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi takker tilo Schmutzler for utarbeidelse av HAuCl4 løsning. Videre takker vi R. Christian Martens for bevis lesing. Økonomisk støtte av den tyske Forskningsstiftelsen (DFG) via Research Training Group GRK 1896 "in situ mikroskopi med elektroner, røntgen og skanning sonder" og gjennom Cluster of Excellence eks 315/2 EAM "engineering av avanserte materialer" er takknemlig erkjent.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hell, S. W., Wichmann, J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. Optics Letters. 19 (11), 780 (1994).
  2. Ross, F. M. Liquid Cell Electron Microscopy. , Cambridge University Press. (2016).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Moser, T. H., et al. The role of electron irradiation history in liquid cell transmission electron microscopy. Science Advances. 4 (4), eaaq1202 (2018).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable graphenic encasement of bacteria. Nano letters. 11 (3), 1270-1275 (2011).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Chee, S. W., et al. Studying localized corrosion using liquid cell transmission electron microscopy. Chemical Communications. 51 (1), Cambridge, England. 168-171 (2015).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Shin, D., et al. Growth dynamics and gas transport mechanism of nanobubbles in graphene liquid cells. Nature Communications. 6, 6068 (2015).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Textor, M., de Jonge, N. Strategies for Preparing Graphene Liquid Cells for Transmission Electron Microscopy. Nano letters. 18 (6), 3313-3321 (2018).
  22. Huang, T. -W., et al. Self-aligned wet-cell for hydrated microbiology observation in TEM. Lab on a chip. 12 (2), 340-347 (2012).
  23. 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).
  24. Kelly, D. J., et al. Nanometer Resolution Elemental Mapping in Graphene-Based TEM Liquid Cells. Nano letters. 18 (2), 1168-1174 (2018).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Jiang, N. Note on in situ (scanning) transmission electron microscopy study of liquid samples. Ultramicroscopy. 179, 81-83 (2017).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676 (2012).
  37. Tinevez, J. -Y., et al. TrackMate: An open and extensible platform for single-particle tracking. Methods. 115, 80-90 (2017).
  38. Oliphant, T. E. Python for Scientific Computing. Computing in Science & Engineering. 9 (3), 10-20 (2007).
  39. Millman, K. J., Aivazis, M. Python for Scientists and Engineers. Computing in Science & Engineering. 13 (2), 9-12 (2011).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. Kraus, T., de Jonge, N. Dendritic gold nanowire growth observed in liquid with transmission electron microscopy. Langmuir. 29 (26), 8427-8432 (2013).
  46. 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).
  47. Glicksman, M. E. Dendritic Growth. Handbook of Crystal Growth. Nishinga, T., Kuech, T. F., Rudolph, P. , Elsevier. Amsterdam. 669-722 (2015).
  48. Li, D., et al. Direction-specific interactions control crystal growth by oriented attachment. Science. 336 (6084), 1014-1018 (2012).
  49. 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).
  50. 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).
  51. Bonn, D., Eggers, J., Indekeu, J., Meunier, J., Rolley, E. Wetting and spreading. Reviews of Modern Physics. 81 (2), 739 (2009).
  52. 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).

Tags

Kjemi flytende celle in situ TEM nanopartikler syntese etsing vekst gull Kinetics grafen dendrit enkelt partikkel sporing
Utarbeidelse av grafen-støttede Mikrotiterplateleser væske celler for <em>in situ</em> Transmission Electron mikroskopi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hutzler, A., Fritsch, B., Jank, M.… More

Hutzler, A., Fritsch, B., Jank, M. P. M., Branscheid, R., Spiecker, E., März, M. Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for In Situ Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (149), e59751, doi:10.3791/59751 (2019).

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