Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Fremstilling af Graphene-understøttede Microwell Liquid-celler til in situ -Transmissionselektronmikroskopi

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 protokol til fremstilling af Graphene-understøttede strips med mikrobrønde Liquid-celler til in situ -elektronmikroskopi af guld nanokrystaller fra haucl4 forløber opløsning præsenteres. Desuden præsenteres en analyse rutine for at kvantificere observeret ætsning og vækstdynamik.

Abstract

Fabrikation og fremstilling af Graphene-understøttede strips med mikrobrønde Liquid-celler (gsmlcs) til in situ -elektronmikroskopi præsenteres i en trinvis protokol. Alsidigheden af GSMLCs er demonstreret i forbindelse med en undersøgelse om ætsning og vækstdynamik af guld nanostrukturer fra en HAuCl4 forløber løsning. GSMLCs kombinerer fordelene ved konventionelle silicium-og Graphene-baserede flydende celler ved at tilbyde reproducerbare brønd dybder sammen med facile celle fremstilling og håndtering af den undersøgte prøve. GSMLCs er fremstillet på et enkelt silicium substrat, som drastisk reducerer kompleksiteten af fremstillingsprocessen i forhold til to-wafer-baserede flydende celle design. Her kræves der ingen bindings-eller justeringsproces trin. Desuden kan den vedlagte væskevolumen skræddersys til de respektive eksperimentelle krav ved blot at justere tykkelsen af et silicium nitrid lag. Dette muliggør en signifikant reduktion af vindues udbuling i elektronmikroskop vakuum. Endelig præsenteres en state-of-the-art kvantitativ evaluering af enkelt partikel sporing og dendrit dannelse i flydende celle eksperimenter ved hjælp af kun open source software.

Introduction

Moderne materialer videnskab, kemi og cellebiologi kræver en dyb forståelse af underliggende dynamiske processer og effekter på sub-micron skala. På trods af kraften i avancerede optiske mikroskopi teknikker såsom stimuleret-emission-udtømning Fluorescens mikroskopi1, Direct Imaging teknikker til at få adgang til detaljerede morfologier kræver elektronmikroskopi. Især in situ (scanning) transmission Electron mikroskopi (S) tem har vist sig at belyse værdifuld indsigt i proces dynamik ved indkapsning af væsker i dedikerede, vakuumtætte celler2. Forskellige eksperimenter såsom kvantitative undersøgelser af nanostrukturdannelses kinetik og termodynamik3,4,5,6, billeddannelse af biologiske prøver7, 8 , 9 , 10 og undersøgelser af energi lagrings relaterede mekanismer11,12 sammen med omfattende undersøgelser af korrosions proces dynamik13 eller nanoboble fysik14,15, 16 har trævlet mange fænomener ved hjælp af (S) tem, der ikke var tilgængelige ved hjælp af standard mikroskopi teknikker.

I løbet af det seneste årti er der etableret to hoved tilgange til at realisere in situ -væske celle tem (LCTEM). I den første tilgang, er væsken indkapslet i et hulrum mellem to si3N4 membraner produceret via si Process Technology17, hvorimod der i den anden, små flydende lommer dannes mellem to Graphene eller Graphene oxid ark 10,18. Håndteringen af både silicium-baserede flydende celler (silcs) og Graphene-baserede flydende celler (glcs) er blevet påvist19,20,21. Selv om begge tilgange har undergået betydelige forbedringer22,23,24,25, de stadig mangler i kombinationen af de respektive fordele. Generelt findes der en afvejning mellem indkaptningen af prøven i ofte udefineret Graphene lommer med en lille væskemængde, der muliggør billeddannelse i høj opløsning18, og veldefinerede celle volumener, som resulterer i tykkere membraner og flydende lag, som giver et miljø, der er tættere på den naturlige situation i bulk flydende26 på bekostning af resolution2. Desuden er nogle eksperimenter afhængige af en væskestrøm26,27 , som kun er blevet realiseret i SILC arkitekturer og kræver en dedikeret tem holder28.

Her præsenterer vi fremstilling og håndtering af en flydende celle tilgang til højtydende in situ lctem via statiske Graphene-støttede strips med mikrobrønde Liquid-celler (gsmlcs) til tem-analyser. En skitse af GSMLC er præsenteret i figur 1. GSMLCs har vist sig at være i stand til at muliggøre in situ høj opløsning transmission elektronmikroskopi (HRTEM) resultater6 og er også muligt for in situ scanning elektronmikroskopi29. Deres si teknologi-baserede ramme giver mulighed for masseproduktion af reproducerbart formede celler med skræddersyet væske tykkelse og ekstra tynde membraner fra en enkelt wafer. Graphene membranen, der dækker disse celler, mindsker også elektronstråle induceret perturbationer8,30,31 , da elektronstrålen passerer gennem den øverste Graphene membran først. Cellernes flade topografi giver mulighed for supplerende analysemetoder såsom energi dispersive røntgen spektroskopi (EDXS)6 uden skyggeeffekter, der opstår som følge af selve den flydende celle, hvilket muliggør en række af høj kvalitet in situ eksperimenter med flydende celle elektronmikroskopi.

Protocol

1. fabrikation af microwell-baserede flydende celle skabeloner

  1. Fjerne organiske rester og indfødte oxid lag fra en 175 μm tyk, enkelt krystallinsk, Boron-doseret (1 – 30) Ωcm, 100 mm diameter (100) silicium wafer. Påfør et oxidationstrin med H2O2 og tmah, efterfulgt af en HF-dukkert i 1 – 5% HF-opløsning.
  2. Termisk oxideres wafer i en tør iltatmosfære ved 800 °C for at udvikle et oxid lag med en tykkelse på 11 nm (figur 2a). 3% dichlorethene (DCE) anvendes til at binde metallisk kontaminering.
  3. Deponere en støkiometrisk si3N4 lag via lavtryks kemisk damp deposition (lpcvd). Si3N4 lagtykkelse definerer brønd dybden. Vælg en værdi, der passer til det planlagte eksperiment (f. eks. 500 nm) (figur 2b).
  4. Definer den laterale brønd geometri ved at strukturere forsiden via litografiske og reaktiv ion ætsning (Rie) (figur 2c). Egnede dimensioner er for eksempel cirkulære strukturer med 2,5 μm radius arrangeret i sekskantede arrays. Vælg brønd afstanden omhyggeligt (for eksempel 5 μm) for at undgå ustabilitet i strukturen.
  5. Deponere en anden 20 Nm af støkiometrisk si3N4 af lpcvd, som danner den nederste membran af den flydende celle (figur 2D). Følg den ovenfor beskrevne fremgangsmåde (Se trin 1,3).
  6. Brug et andet fotolitografi/RIE-trin til at strukturere bagsiden, som senere definerer LC-rammens geometriske dimensioner og dens TEM-vinduer (figur 2E) (ramme diameter: 3 mm).
  7. Via bulk-micromachining i 20% KOH ved 60 °C, fjerne si i det foruddefinerede område og skabe en fritstående si3N4 membran (figur 2F).
  8. De resterende metalioner fjernes i et afsluttende rense trin med 10% HCl-opløsning og deioniseret (DI) vand.

2. overførsel af Graphene til TEM-net

  1. Våd det væv, som de kommercielt erhvervede få-lag (6 – 8) CVD-Graphene på PMMA er placeret. Den PMMA-belagte Graphene nedsænkes i en Petri skål fyldt med DI-vand (figur 3a).
    Bemærk: antallet af lag af Graphene kan bestemmes ved hjælp af gennemførlige teknikker32,33.
  2. Læg Graphene-laget på et filtrerpapir, og skær det i stykker, der er egnet til at dække alle fabrikerede brønde (f. eks. 4 mm ²) (figur 3b).
  3. Nedsænk de afskårne brikker i Petri skålen (figur 3c).
  4. Brug et TEM gitter belagt med et støttelag af Holey Carbon til at fiske de producerede stykker ud af DI vand. For at gøre det, dykke forsigtigt gitteret i vandet og fange Graphene flyder på overfladen. Hold gitteret med anti-kapillar pincet (figur 3D, e).
    Bemærk: pas på, at Graphene site af Graphene-PMMA stack forbliver på toppen under hele proceduren. Ellers vil den efterfølgende PMMA-fjernelse løfte-off Graphene lag.
  5. Lad arkene tørre i et par timer.
  6. Fjern PMMA-beskyttelseslaget i et acetone-bad i 30 minutter, og tilsæt derefter yderligere rengøringstrin ved at nedsænkes i ethanol og DI-vand uden at tørre prøven i mellem. Brug et fladt fartøj (f. eks. en Petri skål) til at forenkle prøve overførslen bagefter.
  7. Prøven tørres bagefter i 30 minutter ved omgivende forhold.

3. klargøring af præparatet

  1. Forbered præparatet til inkorporering i GSMLC. For at gøre dette, forberede en 1 mM stamopløsning ved at løse 196,915 mg HAuCl4· 3h2O krystaller i 0,5 L af di vand.
  2. Tag den ønskede mængde prøve fra stamopløsningen. Her påføres 0,5 μL. Dette kan gøres ved hjælp af en sprøjte eller en Eppendorf-pipette.

4. indlæsning af GSMLC

  1. Skyl den fabrikerede væske celle skabelon med acetone og ethanol.
  2. Anvend en omgivende O2/n2 (20%/80%) plasma i 5 min for at øge membranens fugt.
  3. 0,5 μL af prøveopløsningen dispenserer på skabelonen eller Graphene-laget. Sikre en smidig arbejdsprocedure for at minimere ændringer i koncentrationen på grund af fordampning.
  4. Placer TEM-gitteret på det mikro-mønstrede si3N4 lag med grafen vendt mod skabelonen. Tryk på det Graphene-belagte TEM-gitter på skabelonen. Vær omhyggelig med ikke at ødelægge bunden si3N4 membran.
  5. Fjern overskydende opløsning med et væv for at fremskynde celle tørring og dermed afbøde koncentrations ændringer (figur 4a). Efter ca. 2 – 3 min., Graphene-si3N4 van-der-Waals interaktion tilstrækkeligt forsegle den flydende celle (figur 4b). Alternativt, lad cellen tørre helt ud uden at fjerne den overskydende opløsning. Sidstnævnte giver en højere succesrate i cellebehandlingen. Fordampnings baserede koncentrations ændringer i prøveopløsningen forventes dog at være mere alvorlige, når denne fremgangsmåde anvendes.
    Bemærk: den vellykkede tørreproces kan verificeres med en kontrast ændring i periferien (Sammenlign figur 4a, b).
  6. Fjern forsigtigt tem-gitteret med en pincet ved at skubbe en pincet-spids mellem gitteret og gsmlc-rammen.
    Bemærk: udslæt bevægelser kan bryde den underliggende membran. For at reducere forskydnings kraften skal du starte fra gitter stedet parallelt med den mindre vindues kant.
  7. Kontroller, om mindst én membran af GSMLC stadig er intakt via Optisk mikroskopi (figur 4c). Hvis alle membraner blev brudt, ville LCTEM være umuligt.

5. TEM Imaging og video analyse

  1. Prøven indlà ¦ ses direkte efter tilberedning med en standard TEM-TEM.
    Bemærk: da det rapporteres for GLCs19, kan gsmlcs tørre ud over tid. Derfor bør tiden mellem indlæsning og billeddannelse minimeres.
  2. Billede prøven med en egnet billedbehandlings teknik, afhængigt af både prøve og mikroskop. Her anvendes en (S) TEM-anordning, der drives ved en accelerations spænding på 300 kV. Brug en lav dosis til at minimere stråle inducerede artefakter og en kort eksponeringstid for at undgå bevægelses relateret sløring34. I tilfælde af langvarige eksperimenter, blokere strålen for at reducere stråling skader.
    Bemærk: på grund af en bedre tidsmæssig opløsning skal TEM foretrækkes frem for frempind til kinetiske analyser34 og reduceret ion-reduktion35. Stem, dog foretrækkes til undersøgelse af tykke flydende lag og High-Z elementer på grund af sin højere rumlig opløsning i tykke prøver34,35.
  3. Billed segmenterings metode
    1. Brug en egnet billedbehandlings platform til at udtrække funktioner af interesse. For partikel sporing og-analyse skal du bruge open source ImageJ-distribution FIJI36.
    2. Udnyt analyse partiklerne funktion til at få præcise oplysninger (projiceret område, barycenter) af hver partikel i hver ramme.
      Bemærk: denne funktion kræver binære billeder.
    3. Forbind partiklerne mellem rammerne ved hjælp af plugin track Mate37. Som standard, TrackMate søger efterlyse partikler på en mørk baggrund, så invertere billederne (i tilfælde af BF-TEM), før du starter TrackMate.
    4. Kombiner resultaterne af track Mate og Analysér partikler med et passende script, der udnytter det Python-baserede open source-økosystem SciPy38,39.
    5. Brug FIJI til at udtrække den præcise konturer af mere komplekse strukturer som dendritter. Her kan analyseres partikler også anvendes (Se justerings af figur 6a).
      Bemærk: det kan være muligt at analysere funktioner af interesse manuelt.

Representative Results

Efter indlæsning af cellen er en vellykket Graphene-overførsel indikeret med et forskelligt skygge ligt udseende på brøndene under et optisk mikroskop. Dette er synligt, for eksempel i den rigtige membran af figur 3c. Som nævnt er det afgørende at fjerne TEM-Grid forsigtigt for ikke at bryde det tynde si3N4 lag. I tilfælde af en brudt membran er Lucent og buede residualer tydeligt synlige i det optiske mikroskop, som vist i de venstre to membraner i figur 3c. På grund af de mange visningsområder i det udnyttede GSMLC-design kan cellen anvendes, så længe mindst én membran er intakt. Knækkede membraner kan anvendes til TEM-justering uden at udsætte prøven for elektronstrålen.

En vellykket indkapsling af prøveopløsningen kan verificeres under elektronmikroskopi. Figur 5 præsenterer individuelle Mikrografer af supplerende video 1, hvor opløsningen af et ensemble af nanopartikler og væksten af en dendritisk struktur evalueres statistisk i en gsmlc. Ud over den afdrift-induceret bevægelse af billedet, er mindre individuelle ortogonale partikel bevægelser synlige, hvilket indikerer, at partikler i opløsning er til stede. Desuden viser forekomsten af partikel opløsning, at en våd-kemisk reaktion er til stede, hvilket ikke ville være muligt uden en vellykket flydende omsluttende. Andre typiske indikationer for lukkede væsker er stråleinduceret bobledannelse19 eller partikel bevægelse. Tilstedeværelsen af AU-partikler i Graphene-udvalgte celler alene ikke endegyldigt indikerer et flydende miljø, da partiklerne også kunne stamme fra Graphene-induceret reduktion af HAuCl440. En kvantificering af ilttoppene af den vedlagte væske via Elektron energitab spektroskopi (ål) kan også udføres for at verificere et flydende miljø41.

For at få indsigt i partikel vækst og opløsnings kinetik, er det vigtigt at undersøge hver partikel individuelt snarere end at analysere udviklingen af gennemsnitlige parametre42. Det er også afgørende at udelukke partikler ved rammekanterne, der kun delvist fanges af kameraet, fordi drift effekt-relaterede positionsændringer af sådanne partikler kan forveksles som vækst-eller opløsnings processer. Ætsning menes at være forårsaget af oxidativ arter genereret af elektronstråle-induceret radiolyse43. For at give tilstrækkelige statistikker er det nødvendigt med en Computational enkelt partikel sporing. Ved at anslå den vækst eksponent α af den tilsvarende radius variation af individuelle partikler over tid, oplysninger om den underliggende reaktionskinetik kan opnås. For at gøre dette er det muligt at indføre en tilsvarende radius baseret på det projekterede partikel område, selv om ikke alle partikler er helt sfæriske6,44. Figur 5b viser sporing af tilsvarende radier over tid for seks repræsentative partikler, som er fremhævet i figur 5a. Figur 5c viser fordelingen af α baseret på 73 opløsning af partikler fra nærværende undersøgelse. Kun partikler, hvor en allometrisk model forklarer radius faldet til mindst 50% (justeret koefficient for bestemmelse) betragtes.

Desuden opstår en dendrit struktur hurtigt efter ca. 42 s i det samme godt afbildet i figur 6a. Dendrit formation er en anden typisk, veldokumenteret proces i flydende celler45,46. For at kvantificere dendrit vækst analyseres de strukturelle konturer (Se justerings i figur 6a). Udviklingen af spids radius og hastighed over tid (Se figur 6b, c) afslører det forventede hyperboske forhold47 (figur 6d). Dendrit vækst skyldes lokal overmætning af AU-ioner på grund af den førnævnte partikel ætsning. I figur 5aer det klart synligt, at partikler stadig opløses, mens det overmættede system slapper af i dendrit-vækst. Dette kan skyldes lokale koncentrations variationer i både AU-ionerne og de oxidativ arter som følge af den høje viskositet af væsken i gsmlc, som er observeret før6. En detaljeret drøftelse af dette fænomen ligger imidlertid uden for dette arbejdes anvendelsesområde.

Figure 1
Figur 1: skitse af en GSMLC: skematik af strukturen af en Graphene-understøttet mikrobrønd flydende celle. Genoptrykt fra https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388 6. Yderligere tilladelser skal rettes til det amerikanske kemikalie selskab (ACS). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: fabrikation af GSMLC-frames. Fremstillingsprocessen af GSMLC-frames er skematisk skitseret. a) oxidation af si wafer efter rensning. b) lpcvd af si3N4. (c) front side si3N4 mønster af litografiske og Rie at definere celle volumen. (d) deposition af si3N4 at danne den nederste celle vindue. e) litografi på bagsiden og Rie. (f) bulk mikro med Koh at skabe en fritstående si3N4 membran indeholdende mikrobrønde. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: overførsel af få-lags CVD-Graphene med PMMA beskyttelseslag på et tem-Grid. Overførsel af få-lag CVD-Graphene på PMMA på toppen af en Holey carbon-coated TEM-gitter vises. a) nedsænkning af de få lag CVD Graphene på PMMA i en Petri skål fyldt med di-vand. b) overført Graphene/PMMA stack på et filtrerpapir skæres i stykker egnet til at dække gsmlc-frames. c) gensænkning af et snit Graphene/PMMA-stykke. (d) overførsel af Graphene/PMMA-laget til en Holey carbon-coated tem Grid (e) Graphene/PMMA stack efter en vellykket overførsel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: fjernelse af det øverste tem-net. Tørreprocessen for en læsset GSMLC dokumenteres ved hjælp af et optisk mikroskop. a ) et Graphene-belagt tem-gitter anbringes oven på GSMLC-systemet umiddelbart efter indlæsningen. Graphene laget er synligt som turkis rektangel, der dækker alle tre visningsområder. Dens konturer er groft skitseret af den sorte rektangel. (b) en næsten fuldstændig klæbet membran er synlig ved kontrast ændringen mellem den våde (mørk, Sammenlign med (a)) og klæbet område (turkis) efter ca. to minutter. c) en GSMLC efter OPLØFT af TEM-gitteret, der afslører to knækkede membraner (venstre og midterste), og en membran med succesfyldte og forseglede mikrobrønde (højre). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: repræsentativ udvikling af nanopartikel radier. Radius udviklingen af 183 individuelle partikler er blevet sporet. (a) billedsekvens taget fra supplerende video 1. Seks repræsentative partikler fremhæves. De farvede cirkler svarer til den opnåede tilsvarende radius. (b) logaritmisk plot af partikel radier. c) histogrammet af 73 partikler, hvor en negativ allometrisk eksponent α er fastlagt ved hjælp af en automatiseret rutine. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: dendrit dynamik: den spids radius på fem dendrit grene analyseres. Fejllinjer tegner sig for den respektive standardafvigelse. (a) billedsekvens taget fra supplerende video 1 , der viser den spirende dendrit, som er synlig efter ca. 42 s. Justerings i det rigtige billede viser de udviklende dendrit konturer. Her svarer de lyserøde konturer til 42,09 s, rød til 42,7 s og lilla til 43,3 s. b) udvikling af den (gennemsnitligt) spids radius over tid. c) den gennemsnitlige spids hastighed, som plottet over tid. d) den gennemsnitligt spids radius logaritmisk afbildet i forhold til den gennemsnitligt spids hastighed, hvilket afslører en hyperbolske afhængighed (orange kurve). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: SEM billede af en indlæst gsmlc: en repræsentativ SEM billede erhvervet i HAADF Stem-tilstand i en SEM af en lastet gsmlc ved lav acceleration spænding (29 kV) vises. Foruden de fremtrædende 5 μm brede mikrobrønde er to delvist overlappende cirkulære Holey Carbon gitre (2 μm diameter), der stammer fra Graphene Transfer belyst ovenfor, synlige. Det første kulstof gitter stammer fra en mislykket Graphene-overførsel. Det er klart synligt, at membranen skygger forbliver mest konstant over brønden region, men lidt mørkere mod brønden centrum. Dette udgør en svag, negativ udbuling. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende video 1: in situ -video, der viser repræsentative resultater af en flydende celle lys felt tem undersøgelse af ætsning af AU nanopartikler og efterfølgende vækst af en dendrit struktur forårsaget af overmætning af den omgivende prøveopløsning. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Discussion

I modsætning til kommercielt tilgængelige flydende celler har specialfremstillede Gsml'er den fordel, at de kan udformes, så de passer til let tilgængelige TEM-holdere og ikke kræver en dyr, dedikeret væske celle TEM-holder.

GSMLC-arkitekturen demonstrerede her kombinerer aspekter af SiLCs og GLCs, der potentielt kunne føre til unikke fordele. På den ene side giver SiLCs mulighed for en præcis bestemmelse af celle position og form, men kræver relativt tykke si3N4 membraner til at reducere udbuling effekter og i sidste ende reducere den opnåelige opløsning. GLCs, på den anden side, udviser usædvanligt tynde membran vægge bestående af Graphene, men lider af tilfældige lomme størrelser og positioner. Ved at kombinere disse to membran tilgange via GSMLCs, kan opløsningen begrænsning forårsaget af cellegrænserne35 omgået. Da brønden struktur er fabrikeret direkte i si3n4 lag, kan den faktiske si3n4 membran konstrueres endnu mindre end i silcs, forenkle hrtem analyser, som allerede er blevet påvist i gsmlcs6 . Stadig, det skal bemærkes, at HRTEM i almindelighed er muligt med SiLCs samt48. Desuden kan store synsområder realiseres uden svær vindues udbuling på grund af de små membran områder i de enkelte prøve kamre. Derved kan bulging-relateret tykkelse stigning35 udelukkes i vid udstrækning, som det fremgår af Dukes et al.49. Dette er påvist i figur 7, hvor der vises en repræsentativ højvinkel ringformet mørk felt (haadf) Stam billede af al indlæst GSMLC. Dette billede blev erhvervet ved hjælp af en Dual-Beam system. Da billedets lysstyrke opnået i denne opsætning er direkte relateret til prøve tykkelsen, er det klart synligt, at de forseglede mikrobrønde udviser kun små negative udbuling. Kelly et al.24 har vist, at den negative udbuling og delvis godt tørring synlig i figur 7 afhænger af brønd diameteren. At reducere brønd diameteren er derfor en gennemførlig metode til at homogenisere den flydende tykkelse endnu mere.

På grund af den ligevægt lomme form af GLCs, den flydende tykkelse er også stærkt site-afhængige35. SiLCs følge konstruktionen af to membraner stammer fra forskellige si wafers. Ved at udskifte toppen si3N4 membran med Graphene, er flydende celle fabrikation forenklet. Det betyder, at en eventuel delaminering af to bundne si-wafere under de efterfølgende våde ætsning kan undgås, og at tilpasningen af to wafer-stykker under celle belastningen udelades. Den flade overflade på den ene side af denne celle arkitektur muliggør komplementære in situ -analysemetoder såsom edxs-analyse af model6, som er begrænset i konventionelle SILC-arkitekturer ved skyggeeffekter ved stejle si-kanter50 .

Forsegling præmønstrede mikrobrønde med Graphene på både bunden og top brønd site er blevet påvist før24,25. Anvendelse af to Graphene membraner kan forbedre den opnåelige opløsning. En dobbelt Graphene-overførsel ville imidlertid komplicere forberedelsesprocessen yderligere; især da dette har vist sig at være den mest følsomme forberedelse trin (se nedenfor). Endvidere, de ovenfor diskuterede membran udbuling forventes at være endnu mere kritisk i tilfælde af to Graphene membraner, fordi Graphene er meget mere fleksibel end en si3N4 lag. I disse arkitekturer, blev mikrobrønde konstrueret ved hjælp af sekventiel fokuseret ionstråle (FIB) fræsning. Mens denne tilgang har vist sig at give resultater af høj kvalitet, FIB fræsning er kompliceret og dyrecelle produktionsteknik. Udnytter massivt parallelle Single-Shot mønster teknikker, der allerede er standard i nutidens halvlederindustrien, såsom nanoimprint-eller photolithography, dog har den største fordel ved at være hurtig, billig og skalerbar til masseproduktion.

Det skal bemærkes, at den fremgangsmåde, der præsenteres her, ikke giver mulighed for væskestrøm drift, som kan opnås ved andre designs28. Da lastning og væskevolumen er sammenlignelige for GSMLCs og GLCs, en forurening af høj vakuum på grund af ruptur af membranen kan undgås19. Dette eliminerer behovet for en besværlig tætnings kontrol. Selvom fordelene ved SiLCs og GLCs er blevet kombineret, er ulemperne ved begge tilgange stadig til stede i GSMLCs. Fremstillingen af cellerne kræver et rent rum infrastruktur for silicium teknologi, som ikke nødvendigvis er til stede i TEM laboratorier. Desuden er den flydende lastning ikke trivielt. Det kræver en dedikeret uddannelse, svarende til Graphene celler. Dette gælder dog også for kommercielt tilgængelige systemer. Her, den mest følsomme forberedelse trin er TEM-Grid fjernelse efter Graphene overførsel, fordi udslæt bevægelser eller nervøs er tilbøjelige til at bryde si3N4 lag. De overflødige membran Vinduer øger dog chancerne for at bevare mindst ét membran område. Som følge heraf er afkastet (mængden af betjenes gsmlc chips) opnået af en uddannet eksperimentel er tre ud af fire6, og dermed overstiger den ene opnået med Graphene-baserede celler (en til to ud af fire)19.

Som med GLCs er den flydende indkapsling i GSMLCs baseret på Van-der-Waals-interaktioner18. Derfor kan grænsefladens kontaminering sænke succesraten i behandlingen af GSMLCs19. Afhængigt af Hamaker-konstanten af den til-være-indkapslede væskefase, kan befugtning egenskaber under indlæsnings proceduren (og dermed det opnåelige udbytte) afvige51 , og derfor kan præparatet være kompliceret. Vores erfaring viser, at dette er tilfældet, hvis for eksempel, amphifilic arter er til stede.

GSMLC-arkitekturen muliggør fleksibel konfiguration af brønd dybderne, hvilket giver mulighed for tilpasning til forskellige eksperimentelle forudsætninger. Desuden er arkitekturen velegnet til elektron tomografi undersøgelser over et bredt hældningsvinkel område på ± 75 °, hvilket også giver mulighed for in situ -elektron tomografi52. Derfor kunne der også etableres in situ -og post mortem -tomografi af præparatet i væske med gsmlcs.

Disclosures

Vi har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi takker Tilo Schmutzler for forberedelsen af HAuCl4 -løsningen. Desuden takker vi R. Christian Martens for korrekturlæsning. Økonomisk støtte fra den tyske forskningsfond (DFG) via Forskergruppen GRK 1896 "in situ -mikroskopi med elektroner, røntgenstråler og scannings sonder" og gennem klyngen af Excellence exc 315/2 EAM "engineering af avancerede materialer" er taknemmeligt anerkendt.

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

Kemi flydende celle in situ TEM nanopartikler syntese ætsning vækst guld kinetik Graphene dendrit enkelt partikel sporing
Fremstilling af Graphene-understøttede Microwell Liquid-celler til <em>in situ</em> -Transmissionselektronmikroskopi
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