Waiting
Login processing...

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

Chemistry

فحص النشاط الكهروكيميائية السطحية للمواد النانوية باستخدام المجهر الكهروكيميائية المسح المجهري للقوة الذرية الهجينة (AFM-SECM)

Published: February 10, 2021 doi: 10.3791/61111
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Civil and Environmental Engineering, New Jersey Institute of Technology

Summary

يمكن استخدام المجهر للقوة الذرية (AFM) جنبا إلى جنب مع المسح المجهري الكهروكيميائية (SECM) ، أي AFM-SECM ، للحصول في وقت واحد على معلومات طوبوغرافية وكهركيميائية عالية الدقة على أسطح المواد على مقياس النانو. وهذه المعلومات حاسمة لفهم الخصائص غير المتجانسة (مثل التفاعل والعيوب ومواقع التفاعل) على الأسطح المحلية للمواد النانوية والأقطاب الكهربائية والمواد الحيوية.

Abstract

يستخدم المسح المجهري الكهروكيميائية (SECM) لقياس السلوك الكهروكيميائية المحلية من السائل / الصلبة والسائلة / الغاز والسائل / السائل واجهات السائل / السائل. يعد المجهر للقوة الذرية (AFM) أداة متعددة الاستخدامات لتوصيف البنية المجهرية والنانوية من حيث التضاريس والخصائص الميكانيكية. ومع ذلك، يوفر SECM التقليدية أو AFM معلومات محدودة حل أفقيا على الخصائص الكهربائية أو الكهروكيميائية على مقياس النانو. على سبيل المثال، من الصعب حل نشاط سطح المواد النانوية على مستويات الوجه البلوري من خلال أساليب الكيمياء الكهربائية التقليدية. هذه الورقة تقارير تطبيق مزيج من AFM وSECM، وهي AFM-SECM، للتحقيق في النشاط الكهروكيميائية السطحية النانوية مع الحصول على بيانات طوبوغرافية عالية الدقة. وهذه القياسات حاسمة لفهم العلاقة بين البنية النانوية ونشاط التفاعل، وهو أمر وثيق الصلة بمجموعة واسعة من التطبيقات في علوم المواد وعلوم الحياة والعمليات الكيميائية. ويتجلى تعدد استخدامات الجسيمات النانوية المجمعة AFM-SECM من خلال رسم خرائط للخصائص الطبوغرافية والكهروكيميائية للجسيمات النانوية ذات الأوجه (NPs) والفقاعات النانوية (NBs) على التوالي. بالمقارنة مع التصوير SECM المبلغ عنها سابقا من الهياكل النانوية، وهذا AFM-SECM تمكن التقييم الكمي للنشاط السطحي المحلي أو التفاعل مع ارتفاع دقة رسم الخرائط السطحية.

Introduction

يمكن توصيف السلوك الكهروكيميائية (المفوضية الأوروبية) توفير رؤى نقدية في الحركية وآليات ردود الفعل بين البينية في مجالات متنوعة، مثل البيولوجيا1،2،الطاقة3،4،تركيب المواد5،6،7،والعملية الكيميائية8،9. عادة ما يتم إجراء قياسات EC التقليدية بما في ذلك التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية10، وطرق الضوضاء الكهروكيميائية11، والتحليق المتقطع الجلفانوستيكي12، وقياس فولتامتري13 الدوري على نطاق مجهري وتوفر استجابة سطحية متوسطة. وبالتالي، من الصعب استخراج معلومات حول كيفية توزيع النشاط الكهروكيميائية عبر سطح، ولكن خصائص السطح على نطاق محلي في النانو مهمة بشكل خاص حيث يتم استخدام المواد النانوية على نطاق واسع. ولذلك، فإن التقنيات الجديدة القادرة على التقاط المعلومات المتعددة الأبعاد النانوية والكيمياء الكهربائية في وقت واحد مرغوبة للغاية.

المسح المجهري الكهروكيميائية (SECM) هو تقنية تستخدم على نطاق واسع لقياس النشاط الكهروكيميائية المترجمة من المواد في المقاييس الدقيقةوالنانوية 14. عادة، SECM يستخدم microelectrode فائقة كمسبار للكشف عن الأنواع الكيميائية الكهربائية لأنها تفحص سطح عينة لحل مكانيا خصائص الكهروكيميائية المحلية15. يتم إنتاج التيار المقاس في المسبار عن طريق تقليل (أو أكسدة) الأنواع الوسيطة ، وهذا التيار هو مؤشر على التفاعل الكهروكيميائية على سطح العينة. وقد تطورت SECM بشكل كبير بعد إنشائها الأولى في عام 198916،17 ولكن لا يزال يواجه تحديا من قبل اثنين من القيود الرئيسية. نظرا لأن إشارات EC حساسة عادة لخصائص التفاعل بين الركائز ، فإن أحد قيود SECM هو أن الحفاظ على المسبار على ارتفاع ثابت يمنع الارتباط المباشر للنشاط الكهروكيميائية مع المناظر الطبيعية السطحية ، بسبب التواء التضاريس مع معلومات EC التي تم جمعها18. ثانيا، من الصعب على نظام SECM التجاري الحصول على دقة صورة دون ميكرومتر (μm) حيث يتم تحديد الدقة المكانية جزئيا من خلال أبعاد المسبار ، والتي تقع على مقياس ميكرومتر19. لذلك، تستخدم الأقطاب النانوية، الأقطاب الكهربائية التي يبلغ قطرها في نطاق نانومتر، بشكل متزايد في SECM لتحقيق دقة أقل من مقياس دون ميكرومتر20،21،22،23.

لتوفير ثابت تلميح الركيزة التحكم عن بعد والحصول على أعلى القرار الكهروكيميائية المكانية، وقد استخدمت العديد من التقنيات الهجينة من SECM، مثل تحديد المواقع التوصيل أيون24،القص قوة تحديد المواقع25،بالتناوب الحالي SECM26،والقوة الذرية المجهرية (AFM) تحديد المواقع. ومن بين هذه الأجهزة، أصبح دمج نظام تحديد المواقع AFM (AFM-SECM) نهجا واعدا للغاية. وبما أن AFM يمكن أن توفر مسافات ثابتة للركيزة، فإن تقنية AFM-SECM المتكاملة تمكن من الحصول المتزامن على المعلومات الهيكلية والكهروكيميائية السطحية النانوية من خلال رسم الخرائط أو مسح العينة بنصائح AFM الحادة. منذ أول عملية ناجحة من AFM-SECM من قبل ماكفيرسون وأونوين في عام 199627، تم تحقيق تحسينات كبيرة على تصميم التحقيق وتصنيعه ، فضلا عن تطبيقاته في مختلف مجالات البحث مثل الكيمياء الكهربائية في العمليات الكيميائية والبيولوجية. على سبيل المثال، تم تنفيذ AFM-SECM لتصوير أسطح المواد المركبة، مثل الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة28،والأقطاب الكهربائية الوظيفية أو المستقرة الأبعاد29،30، والأجهزة الإلكترونية31. AFM-SECM يمكن تعيين المواقع النشطة كيميائيا من الصورة الحالية تلميح.

ويمكن أيضا أن يتحقق في وقت واحد القياسات الطبوغرافية والكهروكيميائية من خلال تقنيات أخرى مثل موصل AFM32،33،34،35، الكهروكيميائية AFM (EC - AFM)36،37،38،39، أيون المسح الضوئي conductance المجهر المسح المجهري الكهروكيميائية (SICM- SECM)24،40، ومسح المجهرية الخلايا الكهروكيميائية (SECCM)41،42 وقد نوقشت المقارنة بين هذه التقنيات في ورقة استعراض1. وكان الهدف من العمل الحالي هو استخدام SECM-AFM لإظهار رسم الخرائط الكهروكيميائية والقياس على المواد النانوية ذات الأوجه البلورية أكسيد الكروبروس والفقاعات النانوية في الماء. يتم تصنيع المواد النانوية ذات الأوجه على نطاق واسع لمحفزات أكسيد المعادن في تطبيقات الطاقة النظيفة لأن الجوانب ذات السمات البلورية المميزة لها هياكل ذرية سطحية مميزة وتهيمن بشكل أكبر على خصائصها الحفازة. وعلاوة على ذلك، قمنا أيضا بقياس ومقارنة السلوك الكهروكيميائية في واجهات السائل / الغاز للفقاعات النانوية السطحية (NBs) على ركائز الذهب. NBs هي فقاعات بقطر <1 ميكرومتر (المعروف أيضا باسم فقاعات فائقة الدقة)43، وأنها تثير العديد من الخصائص المثيرة للاهتمام44،45، بما في ذلك أوقات الإقامة الطويلة في الحلول46،47 وكفاءة عالية لنقل كتلة الغاز46،48. وعلاوة على ذلك، فإن انهيار NBs يخلق موجات الصدمة وتشكيل الجذور الهيدروكسيل (•OH)49،50،51،52. قمنا بقياس التفاعل الكهروكيميائية من NBs الأكسجين في الحل لفهم أفضل للخصائص الكيميائية الأساسية لNBs.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد العينة

  1. إعداد الأوجه Cu2O الجسيمات النانوية وترسب على ركيزة السيليكون
    1. حل 0.175 غرام من CuCl2∙ 2H2O (99.9٪) إلى 100 مل من المياه deionized (DI) لتوليد محلول مائي من 10 M M CuCl2.
    2. إضافة 10.0 مل من 2.0 M NaOH و 10 مل من 0.6 M حمض الأسكوربيك دروبيشن في محلول CuCl2.
    3. سخني المحلول في قارورة مستديرة القاع سعة 250 مل تحت التحريك المستمر في حمام مائي 55 درجة مئوية لمدة 3 ساعة.
    4. جمع الترسب الناتج عن طريق الطرد المركزي (5000 × غرام لمدة 15 دقيقة) ، يليه الغسيل بماء DI 3 مرات والإيثانول مرتين لإزالة الأيونات غير العضوية المتبقية والبوليمرات.
    5. الجافة عجل في فراغ في 60 درجة مئوية لمدة 5 ساعة53.
    6. استخدم رقاقة السيليكون المعدة كركيزة لإيداعجسيماتنانوية Cu 2 O كما هو موضح في الشكل 1A باستخدام الايبوكسي لضمان الاختبار.
      تحذير: تم تقطيع رقاقة السيليكون (Ø3" رقاقة السيليكون، نوع P/<111>) إلى قطعة واحدة من 38 ملم × 38 ملم، تليها الغسيل باستخدام الإيثانول والميثانول ومياه DI لإزالة الملوثات العضوية وغير العضوية.
    7. إيداع مباشرة 10 ميكرولتر من الايبوكسي على رقاقة السيليكون تنظيفها باستخدام طرف ماصة والبلاط مع شريحة زجاجية نظيفة. بعد حوالي 5 دقائق، قم بإسقاط 10 ميكرولتر من الجسيمات النانوية / تعليق الماء (10 ملغ L-1)على ركائز رقاقة السيليكون المغلفة باليبوكسي المختلفة، بشكل منفصل. تشير النقاط الحمراء الأربعة المختلفة الموضحة في الشكل 1B إلى الموضع المحتمل للجسيمات النانوية المودعة.
    8. فراغ الجافة الركيزة في 40 درجة مئوية لمدة 6 ساعة.
    9. ضع ركيزة العينة في خلية عينة EC (الشكل 4) ليتم ملؤها ب 1.8 مل من 0.1 M KCl تحتوي على 10 mM Ru (NH3)6Cl3(98٪).
  2. إعداد NBs
    1. توليد فقاعات نانوية للأوكسجين عن طريق الحقن المباشر للأوكسجين المضغوط (نقاء 99.999٪) من خلال غشاء خزفي أنبوبي (100 نانومتر حجم المسام، WFA0.1) في الماء DI.
      ملاحظة: تم حقن الغاز بشكل مستمر تحت ضغط 414 كيلو باسكال وتدفق 0.45 لتر · م-1 حتى الوصول إلى توزيع حجم فقاعة مستقرة كما ورد في مكان آخر54.
    2. إضافة 1.8 مل من تعليق المياه من NBs على ركيزة الذهب في الخلية عينة المفوضية الأوروبية والاستقرار لمدة 10 دقيقة.
      ملاحظة: تم استخدام لوحات ذهبية طازجة من عيار 40 مم × 40 مم (Au on Si) كركيزة لشل حركة NBs.
    3. Decant 0.9 مل من تعليق NB واستبدالها مع 0.9 مل من 10 mM Ru (NH3)6Cl3 الحل في 0.1 M KCl.

2. إعداد AFM-SECM

ملاحظة: تم استخدام AFM في القياسات AFM-SECM المعروضة. ولأداء تحليلات المفوضية الأوروبية، تم تجهيز AFM بملحقات ثنائية الوعاء وSECM. كما هو مبين في الشكل S1، تم توصيل bipotentiostat إلى وحدة تحكم AFM وتم توصيل كل من potentiostat و AFM إلى نفس الكمبيوتر. وتشمل الملحقات تشاك SECM، حامل مسبار SECM مع التمهيد واقية، ووحدة سلالة الإفراج مع محدد المقاومة (تم استخدام المقاومة MΩ 10) للحد من التدفق الحالي الأقصى55. كما هو مبين في الشكل 2، فإن مجابير AFM-SECM لديها نصف قطر طرف يبلغ 25 نانومتر وارتفاع طرف يبلغ 215 نانومتر. عملت العينة كقطب كهربائي عامل ، والذي يشترك في نفس المرجع الزائف باستخدام قطب سلك Ag (قطر 25 ملم) والقطب المضاد لسلك Pt (قطره 25 مم). يمكن أن يكون المسبار والعينة متحيزين في إمكانات مختلفة (مقابل قطب مرجعي زائف لأسلاك Ag) لتمكين تفاعلات الأكسدة المختلفة. في العمل المعروض، يقلل تلميح [Ru(NH3)6]3+ إلى [Ru(NH3)6]2 + عند -400 mV مقابل قطب مرجعي زائف سلك Ag.

  1. استبدال تشاك عينة القائمة مع تشاك SECM والمسمار تشاك في مكان باستخدام اثنين من M3 × 6 مم مأخذ الرأس كاب مسامير ومفتاح سداسي 2.5 ملم (الشكل 3A).
  2. قم بتوصيل كابل التحكم في درجة الحرارة إلى تشوك SECM، وتوصيل الكابلات SECM منخفضة الضوضاء إلى كتلة موصل الربيع (اللون إلى اللون) وكتلة التبديل(الشكل 3B).
    ملاحظة: يجب أن تبقى التبديل على الجانب الأيمن أثناء اختبار SECM.
  3. تثبيت وحدة الافراج عن سلالة على الماسح الضوئي AFM وأيضا توصيله إلى موصل القطب العمل على كتلة موصل الربيع مع كابل التمديد(الشكل 3C).
  4. تجميع الخلية عينة EC.
    1. وضع إدراج على الحلقة العليا (الشكل 4A).
    2. تجميع اثنين من O-حلقات على الأخدود السفلي والأخدود العلوي من إدراج، على التوالي (الشكل 4B والشكل 4C).
    3. وضع غطاء زجاجي على أعلى حلقة أعلى ثم تشديد من قبل أربعة مسامير طفيفة وقطريا(الشكل 4D).
    4. استخدام سلك حاد الثابت مع قطر 24 ملم (الشكل 4E) لكزة اثنين من الثقوب في حلقة O من خلال قناتين من جزء من البلاستيك على حلقة أعلى (الشكل 4F).
    5. إدراج سلك Ag والأسلاك Pt من خلال ثقب على O-حلقة، ومنحنى سلك Pt إلى دائرة في EC عينة الخلية كما هو مبين في الشكل 4G.
    6. لختم EC عينة الخلية الجزء العلوي، اضغط على الخلية عينة EC تجميعها إلى أسفل على أسفل الخلية عينة المفوضية الأوروبية لجعل O-حلقة الاتصال الكامل الغطاء الزجاجي(الشكل 4H).
    7. ضع الجزء العلوي من الخلية عينة EC رأسا على عقب ومواجهة عينة الاختبار (أو الركيزة) إلى الأسفل بحيث دبابيس الربيع محملة (دبابيس بوغو) تلمس سطح العينة كما هو مبين في الشكل 4I والشكل 4J. يجب أن تغطي عينة الاختبار حلقة O لجعل ختم الجزء السفلي من عينة EC.
    8. وضع EC عينة الخلية أسفل على وتشديد قطريا مع المسمار طول الحق (الشكل 4K).

3. تشغيل AFM-SECM

  1. تهيئة أدوات AFM و bipotentiostat
    1. انقر نقرا مزدوجا فوق رمزي البرنامج لتهيئة نظام AFM وواجهة التحكم bipotentiostat.
  2. تحميل مسبار SECM
    1. إعداد حزمة الخدمة الميدانية ESD بما في ذلك لوحة مضادة للستاتيكي، والتفريغ الكهربائي (ESD) موقف التحقيق واقية، يمكن ارتداؤها قفازات مضادة للساكنة وحزام المعصم(الشكل 5A). يظهر الشكل 5B اتصال شاشة ESD بحزام المعصم.
      ملاحظة: يصدر جهاز العرض ESD صوتا عند توصيل اللوحة الحمراء بالأرض. سوف تتوقف الصفارة عندما يرتدي المستخدم حزام المعصم.
    2. لمنع الماسح الضوئي AFM من التعرض للسائل، استخدم التمهيد واقية (الشكل 6A) أثناء اختبار AFM-SECM. وضع حامل التحقيق على موقف التحقيق ESD واقية (الشكل 6B). استخدام زوج من ملاقط بلاستيكية لإرفاق التمهيد واقية لحامل تلميح(الشكل 6C). ثم، محاذاة قطع صغيرة في التمهيد واقية إلى درجة في حامل التحقيق كما هو موضح في الشكل 6D.
    3. فتح مربع من تحقيقات AFM-SECM (الشكل 7A) باستخدام ملاقط تلميح (اللون الأخضر) للاستيلاء على التحقيق من كلا الجانبين من الأخاد (الشكل 7B). أثناء استخدام القابض القرص (اللون الفضي) لعقد حامل التحقيق على المنصة، ووضع سلك التحقيق في حفرة من الموقف، ومن ثم الشريحة التحقيق في فتحة حامل التحقيق (الشكل 7C). بعد أن يكون المسبار داخل الفتحة، استخدم الطرف المسطح من الملاقط لدفعه للداخل. تأكد من أن المسبار هو تماما في حامل تلميح (الشكل 7D).
    4. كما هو موضح في الشكل 8A، إرفاق حامل التحقيق كله (بما في ذلك حامل التمهيد) إلى الماسح الضوئي.
    5. استخدام ملاقط تلميح تفلون للاستيلاء على السلك الحق تحت حلقة النحاس وتوصيله إلى وحدة(الشكل 8B).
    6. ضع الماسحة الضوئية مرة أخرى إلى الانسجام.
  3. تحميل الخلية عينة
    1. بعد تجميع عينة الاختبار (أو الركيزة) في خلية عينة EC ، والتي تم ذكرها في القسم 2.4 ، ضع خلية عينة EC على النقطة المركزية ل SECM chuck والقطب المرجعي الزائف (سلك Ag) وربط العداد (سلك Pt) بكتلة موصل الربيع(الشكل 3). الخلية عينة EC متصلة مغناطيسيا إلى تشاك.
  4. إعداد برامج SECM قبل التصوير
    1. في برنامج AFM-SECM، حدد SECM- PeakForce QNM لتحميل مساحة العمل(الشكل S2).
    2. في الإعداد، قم بتحميل مسبار SECM، ثم قم بمحاذاة ليزر على الطرف باستخدام محطة محاذاة.
    3. انتقل إلى الملاحة (الشكل S3). حرك الماسح الضوئي إلى الأسفل ببطء للتركيز على سطح العينة. ضبط موقف EC عينة الخلية قليلا للتأكد من الماسح الضوئي لن تلمس الغطاء الزجاجي للخلية عينة EC أثناء التحرك. بعد التركيز على العينة، انقر فوق تحديث موضع المشاركة العمياء.
      تنبيه: تختلف ارتفاعات العينات المختلفة، لذا من الضروري تحديث موضع المشاركة العمياء بعد تغيير العينة.
    4. انقر فوق نقل لإضافة موضع سائل.
    5. إضافة ~ 1.8 مل من محلول المخزن المؤقت في الخلية عينة EC، للتأكد من مستوى الحل هو أقل من الغطاء الزجاجي. إذا كان مستوى المياه فوق الغطاء الزجاجي، يمكن أن تزحف المياه إلى الماسح الضوئي وتسبب قصيرة الكهربائية وكسر الماسح الضوئي. انتظر لمدة 5 دقائق أخرى واستخدم ماصة لإثارة الحل لإزالة الفقاعات.
      ملاحظة: يجب تخزين محلول العازلة (10 mM [Ru(NH3)6]3+ مع الكهارل الداعم من 0.1 M KCl) باستمرار في الثلاجة بعد التحضير. استخدم حقنة مع فلتر (لا يزيد حجم مسامها عن 1 ميكرومتر) لتصفية المحلول قبل استخدامه.
    6. انقر على الانتقال إلى موضع المشاركة العمياء. سوف تتحرك تلميح مرة أخرى إلى حل المخزن المؤقت. ضبط الليزر قليلا للتأكد من محاذاة الليزر على الطرف.
    7. فتح برنامج CHI. كما هو مبين في الشكل S4، انقر على الأمر تقنية على شريط الأدوات لفتح محدد التكنولوجيا وحدد فتح الدائرة المحتملة -- الوقت. استخدم الإعداد الافتراضي (وقت التشغيل ك 400 s) لقياس OCP ثم قم بتشغيل قياس OCP.
      ملاحظة: يجب أن تكون المحتملة المعروضة في اختبار OCP بالقرب من الصفر بشكل ثابت.
    8. انقر فوق الأمر تقنية مرة أخرى وتشغيل فولتامتري Cyclic (CV)، كما هو موضح في الشكل S5 والشكل S6.
      ملاحظة: إعداد المعلمات كما يلي. تعيين "قطع الاجتياح" إلى عدد أكبر إذا لزم الأمر. وينبغي أن تكون "init E/Final E" هي نفس القيمة المحتملة من قياس OCP و "High E" و "Low E" يمكن أن تكون +0.3 V أو −0.3 V من "init E/Final E" على التوالي. هنا نستخدم 0 V كما E الأولية وعالية و-0.4 V كما E منخفضة ونهائي. وكان معدل المسح الضوئي 0.05 V / ثانية وكانت الحساسية 1 e-009. تشغيل اختبار السيرة الذاتية، وأعلى الحالية (1) قياس هنا ينبغي أن يكون 0.3-1.2 ن م ل10 mM [رو (NH3)6]3 +.
  5. التصوير SECM
    1. العودة إلى برنامج AFM-SECM. نظرا لأن الطرف موجود بالفعل في السائل، انقر فوق إشراك.
    2. بعد المسح الضوئي، قم بتشغيل وضع الرفع (Lift by Sensor) بارتفاع رفع يبلغ 100 نانومتر وضبط ارتفاع المصعد استنادا إلى خشونة العينة.
    3. في برنامج CHI، قم بتشغيل قياس كرونوامبرومتري مع المعلمات الموضحة في الشكل S7. تعيين E الأولية ك -0.4 V، وعرض النبض كما 1000 ثانية (وهو الحد الأقصى لعدد المقبولة من قبل النظام)، وحساسية نفسه مع مسح السيرة الذاتية.
      ملاحظة: تم اختيار تقنية قياس الكرونوامبيروميتري بسبب عدم وجود تقنية i-t amperometric في نظام قياس القوة الثنائية المقدم.
    4. مع تشغيل برنامج CHI، عد إلى برنامج AFM-SECM، وتحقق من القراءة في الوقت الحقيقي على مخطط الشريط وانقر على البدء (الشكل S8). سيتم تحديث القراءة في الوقت الحقيقي. ثم سيبدأ كل من التصوير الطوبوغرافي وعملية التصوير الحالية. حفظ الصور في برنامج AFM-SECM.
  6. تحقق من منحنى النهج
    1. إشراك غيض على عينة أو منطقة الركيزة مع حجم المسح الضوئي من 1 ميكرومتر.
    2. تشغيل قياس التسلسل الزمني كما ذكر في 3.5.3.
    3. العودة إلى AFM-SECM البرمجيات وحدد الأمر الذهاب إلى منحدر.
    4. انقر على منحدر. وسيتم تسجيل منحنى النهج في برنامج AFM-SECM.
  7. تنظيف البقشيش
    1. استخدام الخلية عينة EC كحاوية مياه نظيفة. حرك الطرف داخل وخارج السائل باستخدام وظائف الانخراط العمياء في لوحة الملاحة. تغيير المياه النظيفة ثلاث مرات. بعد هذا التنظيف ثلاث مرات، وذلك باستخدام مناديل نظيفة لإزالة المياه المتبقية بعناية من حامل التحقيق ووضع التحقيق مرة أخرى في مربع التحقيق.
      تنبيه: بعد التصوير، يجب تنظيف مسبار AFM-SECM بعناية. لا تستخدم أبدا المياه الخارجة من زجاجة الغسيل لتنظيف المسبار لأن الشحنة الكهروستاتيكية قد تضر بالمسبار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

التضاريس والتصوير الحالي ل ONBs بواسطة AFM-SECM

الدراسات السابقة التي تميزت NBs مع AFM ذكرت فقط صور التضاريس للكشف عن حجم وتوزيع NBs شلت على ركيزة صلبة56،57. التجارب هنا كشفت عن معلومات مورفولوجية وكهركيميائية على حد سواء. يمكن تحديد فقاعات الأكسجين النانوية الفردية (ONBs) بوضوح في الشكل 9، الذي يوفر التضاريس وكذلك رسم الخرائط الحالية أو المعلومات. تم إنشاء تيار تلميح من رد فعل أكسدة [Ru(NH3)6]3 + التي يتم تخفيضها إلى [Ru(NH3)6]2 + في تلميح تحت احتمال التحيز في -0.4 V، كما هو مبين في الشكل 9C. وتبين مقارنة التضاريس والصورة الحالية العلاقة الجيدة بين مواقع ال NBs والبقع الحالية. وتؤكد هذه النتيجة أن ONBs يمكن أن تسهل نشر ونقل كتلة [Ru(NH3)6]3 + من الحل السائب إلى منطقة الطرف58 ويؤدي إلى تيار أعلى (نسبة إلى تيار الخلفية الركيزة من 6 pA) عندما تلميح AFM-SECM مسحها ضوئيا على NBs59.

التضاريس والتصوير الحالي من Cu2O NPs بواسطة AFM-SECM

يتم عرض التضاريس والصور الحالية للجسيمات النانوية Cu2O في الشكل 10. تم إنشاء تيار تلميح بسبب رد فعل أكسدة [Ru(NH3)6]3 +، والتي يتم تخفيضها أيضا في الطرف مع احتمال في -0.4 V ، كما هو مبين في الشكل 10C. الجسيمات النانوية حوالي 500-1000 نانومتر في الحجم. تمت معالجة الصورة الطوبوغرافية المقدمة بعلاج تسوية أمرواحد. حجم الجسيمات التي تحددها AFM مماثلة لتلك التي تم الحصول عليها من صورة SEM. الطول أو العرض أكبر قليلا من ارتفاع الجسيمات النانوية (حوالي 500 نانومتر) بسبب تأثير التواء الطرف ، وهي قطعة أثرية معروفة في عملية التصوير AFM التي تسبب المبالغة في تقدير بعد الكائن من قبل طرف AFM محدود الحجم60. في هذه الدراسة، كما Cu2O الجسيمات النانوية لديه شكل أوكثالدرون حادة، قد تفشل تلميح AFM للمس الجدار الجانبي الحاد وأسفل، وهذا التأثير التواء يمكن أن يفسر العديد من التوسع الجانبي للسطح61. يشير الشكل 10B إلى أن الجسيمات النانوية المرئية في صورة التضاريس ترتبط ب "بقعة" التيار الكهربائي الواضح في الصورة الحالية ، في حين أن التيار الخلفي (~ 10 pA) يتوافق مع ركيزة السيليكون المسطحة.

السيرة الذاتية ونهج منحنيات Cu2O NPs

الشكل 11A يظهر خمسة منحنيات السيرة الذاتية التمثيلية من تلميح AFM-SECM مع طرف في حوالي 1 مم بعيدا عن الركيزة في 10 mM [Ru(NH3)6]3 + و 0.1 M KCl. لم ينخفض تيار البقشيش المحدود الانتشار (~1.2 nA) مع مرور الوقت. الشكل 11A يظهر منحنى السيرة الذاتية بمعدل المسح الضوئي كما 50 mV s−1، مما يؤكد احتمال التحيز من -0.4 V مقابل Ag / AgCl أدى إلى أقصى طرف الهضبة الحالية بسبب رد فعل انخفاض [Ru(NH3)6]3 +.

يظهر الشكل 11B التغييرات في طرف التيار كما يتحرك الطرف نحو سطح العينة. اقترب تلميح AFM-SECM من سطح الركيزة في اتجاه Z حتى وصل إلى نقطة تعيين (5 nN في هذا العمل) تشير إلى الاتصال الفعلي بين طرف الركيزة أو الانحناء نتيجة للاتصال62،63. تم تطبيع التيار على المؤامرات إلى i0 (i0= 3.385 nA) ، والذي يعرف بأنه طرف الحالي قياس عندما يكون الطرف 1 ميكرومتر فوق سطح العينة. كان الطرف متحيزا عند −0.4 V مقابل Ag/AgCl في المنحل بالكهرباء الذي يحتوي على 10 mM [Ru(NH3)6]3 +و 0.1 M KCl. زاد تيار البقشيش العادي مع انخفاض مسافة عينة التلميح. في <8 نانومتر، كان الطرف في اتصال مع سطح الجسيمات النانوية وتيار طرف تطبيع زيادة حادة، وربما لأن سطح سي مشحونة سلبا سيؤدي إلى زيادة التركيز المحلي من [Ru(NH3)6]3 + بالقرب من السطح.

Figure 1
الشكل 1:ترسب Cu 2O الجسيمات النانوية على رقاقة السيليكون. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: تخطيطي لنظام AFM-SECM. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: إجراء التثبيت لتشاك SECM وغيرها من الملحقات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: إجراء تجميع الخلية عينة المفوضية الأوروبية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: حزمة الخدمات الميدانية ESD.
أ)أجزاء من أجزاء الحماية ESD؛ (ب) اتصالات رصد ESD، حزام المعصم والأسلاك الأرضية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: إجراء المرفق للتمهيد واقية على حامل التحقيق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: تحميل مسبار SECM إلى حامل المسبار. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: مسبار لجنة الأوراق المالية والبورصة.
أ) إرفاق تجميع التمهيد حامل المسبار إلى الماسح الضوئي; (ب) اتصال المسبار إلى وحدة إطلاق سراح سلالة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9: في وقت واحد اكتسبت التضاريس (A) وطرف الحالية (ب) صور من NBs الأكسجين في المنحل بالكهرباء التي تحتوي على 10 mM [Ru(NH3)6]3 +و 0.1 M KCl.
كان الطرف (نصف قطر طرف النهاية هو 25nm) متحيزا عند -0.4V. (ج) رسم تخطيطي لقياس AFM-SECM ل NBs يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

Figure 10
الشكل 10: في وقت واحد اكتسبت التضاريس (A) وتلميح الحالية (ب) صور Cu2O الجسيمات النانوية في المنحل بالكهرباء التي تحتوي على 10 mM [Ru(NH3)6]3 +و 0.1 M KCl.
كان الطرف (نصف قطر طرف النهاية هو 25nm) متحيزا في -0.4V (C) التوضيح التخطيطي لقياس AFM-SECM ل NPs. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 11
الشكل 11: السيرة الذاتية والنهج منحنيات من Cu2O NPs.
(أ) خمسة CV المسح الضوئي في 10 mM [Ru(NH3)6]3 +و 0.1 M KCl. (ب) نهج منحنيات التحقيق nanoelectrode على سطح الجسيمات النانوية Cu2O. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

رد فعل E0 / V تركيز الإمكانات التطبيقية الرقم المرجعي
2H+ + 2e- Icon 1 H2 0
[رو (NH3)6] 3+ + ه− Icon 1 [رو (NH3)6]2+ 0.10 (NHE) 10 مليون متر −0.4 فولت (Ag/AgCl) 1
2NO2− + 3H2O + 4e- N Icon 1 2O + 6OH- 0.15 (NHE) 0.1 متر +0.95V (Ag/AgCl) 2
[في(CN)6] 3− + ه- Icon 1 [Fe(CN)6]4− 0.358 (NHE) 2 ~ 5 مليون متر +0.0 ~ 0.5V (Ag/AgCl) 3
ClO4− + H2O + 2e- Icon 1 ClO3−+ 2OH− 0.36 (NHE) 0.1 ~ 1 م +0.30 V(SCE) 4
[IrCl6] 3− + 3e− Icon 1 Ir + 6Cl− 0.77 (NHE) 10 مليون متر +1.0 V (Ag/AgCl) 5
SO42− + H2O + 2e− SO Icon 1 3 2−+ 2OH− -0.93 (NHE) 10 مليون متر -0.45 V (Ag/AgCl) 6
AgCl + e− Icon 1 Ag + Cl− 0.22233(NHE)
مراجع:
1- جيانغ، ج. وآخرون التصوير النانوي والكهروضوئي النانوي لأقطاب Pt/p-Si وPt/p+-Si. (كيمسوتشيم) 10 (22), 4657-4663, (2017).
2. إزكيردو، ج.، إيفرت، أ. ، كرانز، سي وسوتو، ر.M. في الموقع رصد نواة حفرة والنمو في طبقة أكسيد الحديد السلبي باستخدام القوة الذرية المشتركة ومسح المجهر الكهروكيميائية. كيمليكتروكيم. 2 (11), 1847-1856, (2015).
3. جونز، C. E. ، أونوين، ب. ر. وماكفرسون، ج. ف. في المراقبة الموقعية للعمليات السطحية المشاركة في الانحلال من سطح الانقسام من الكالسيت في محلول مائي باستخدام المسح الضوئي المشترك المجهري الكهروكيميائية والقوة الذرية (SECM-AFM). (تشيم فيشيم) 4 (2), 139-146, (2003).
4. آن ، أ . ، Cambril ، E. ، Chovin ، A. ، Demaille ، C. & amp؛ Goyer ، C. المجهر الكهروكيميائية القوة الذرية باستخدام وسيط الأكسدة المرفقة تلميح للتصوير الطبوغرافي والوظيفي للأنظمة النانوية. ACS نانو. 3 (10), 2927-2940, (2009).
5. ماكفرسون ، ج. ف. ، جونز ، جيم ، باركر ، أ. ل. ونوين ، P. R. التصوير الكهروكيميائية للنشر من خلال المسام النانوية واحدة. الكيمياء التحليلية. 74 (8), 1841-1848, (2002).
6. إزكيردو، ج.، إيفرت، أ. ، كرانز، سي وسوتو، ر.M. في التحقيق الموقعي من تآكل النحاس في محلول كلوريد الحمضية باستخدام القوة الذرية - المسح المجهري الكهروكيميائية. الكهروميكا أكتا. 247 588-599, (2017).

الجدول 1: أمثلة لوسطاء الأكسدة المستخدمة في الأدب.

الشكل S1: صورة تظهر الاتصال بين bipotentiostat ووحدة تحكم AFM. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S2: تحميل مساحة عمل PeakForce SECM في البرنامج. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S3: لوحة التنقل لمساحة عمل SECM. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S4: تشغيل الدائرة المفتوحة المحتملة – الوقت. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S5: تشغيل فولتاممتري دوري. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S6: إعداد المعلمة لقياس قياس الفولتامتريا الدوري. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S7: معلمات لقياس قياس التسلسل الزمني. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S8: بدء القراءة الحالية في برنامج AFM-SECM. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

الشكل S9: معلمات لتقنية i-t أمبيرومتري. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تم وصف تقنية AFM-SECM مجتمعة التي تمكن التصوير متعدد الوسائط عالي الدقة في هذا البروتوكول. تسمح هذه التقنية برسم خريطة للتضاريس في وقت واحد مع تيار SECM الذي تم جمعه أو تعيينه على جسيمات نانوية واحدة أو فقاعات نانوية. وأجريت تجارب باستخدام مسابر تجارية. وقد صممت هذه المسابير لتوفير التوافق الكيميائي مع مجموعة واسعة من البيئات الكهروكيميائية، والأداء الكهروكيميائية، والاستقرار الميكانيكي، والتعامل مع دورة متعددة18. ومع ذلك، فإن استقرار ومتانة مسابير AFM-SECM أمران حاسمان لقياس المعلومات الكهروكيميائية بدقة موثوقة وعالية. ونتيجة لذلك، فإن الخطوات المذكورة في الخطوتين 3.2 و3.7 حاسمة لحماية طرف AFM-SECM من التدمير عن طريق التفريغ الكهربائي. كما يتم وصف مناقشة مفصلة تتعلق بخطوات بروتوكول محددة.

في الخطوة 3.4.5، 10 MM [Ru(NH3)6]3+ مع دعم المنحل بالكهرباء من 0.1 M KCl استخدمت في الاختبار المعروض. 5-10 mM هو تركيز شائع الاستخدام من [Ru(NH3)6]3 + في الأدب للحصول على إشارات التيار الجيد30. ويرد في المناقشة تلخيص لأمثلة أخرى لوسطاء الأكسدة الشائع استخدامها في قياسات AFM-SECM (الجدول 1).

في الخطوة 3.4.6، يتم تأكيد جودة واستقرار الأقطاب الكهربائية مع قياس OCP. إذا لم تكن الإمكانية التي تم قياسها في OCP قريبة من الصفر أو غير مستقرة ، فيجب فحص العداد والأقطاب الكهربائية المرجعية الزائفة. قد تكون الأسباب المحتملة لعدم استقرار OCP هي تعلق الفقاعات على الأقطاب الكهربائية أو الأقطاب الكهربائية غير المغمورة في السائل.

في الخطوة 3.4.8، يمكن أن يكون النطاق المحتمل المذكور هنا "High E" و "Low E" +0.3 V أو −0.3 V من "init E/Final E" هو خيار آمن لبدء اختبار السيرة الذاتية. ثم يمكن تعديل النطاق المحتمل استنادا إلى القيمة المحتملة التي أدت إلى تيار هضبة في منحنى السيرة الذاتية. يمكن أن يختلف معدل المسح الضوئي بين 0.01 V/s إلى 0.1 V/s. ويعزو ارتفاع معدل المسح الضوئي إلى حساسية أعلى، ولكن تيار الشحن سيزيد أيضا. أيضا، في ارتفاع معدلات المسح الضوئي قدمت voltammograms الأشكال المشوهة64. يجب تحديد قيمة حساسية أعلى طالما أن اختبار السيرة الذاتية لا يظهر "تجاوز". إذا ظهرت رسالة "تجاوز السعة"، فيجب تقليل الحساسية.

في الخطوة 3.5.2، للتصوير، تم إجراء عملية التصوير AFM-SECM باستخدام وضع مسح الرفع مع ارتفاع رفع عادة 40-150 نانومتر. إذا تم تحديد ارتفاع رفع أقل، ثم قد يكون هناك احتمال لطرف تحطمها على سطح العينة. إذا كان ارتفاع الرفع مرتفعا جدا، فقد يقلل من دقة التصوير الحالية نظرا لأن الطرف بعيد عن سطح العينة.

في الخطوة 3.5.3 في بروتوكول القياس المعروض، تم اختيار -0.4 V مقابل Ag/AgCl (-0.18V مقابل NHE) لإجراء تخفيض [Ru(NH3)6]3+. التحقيق قد يقلل من [Ru(NH3)6]3 + إلى [Ru(NH3)6]2 + في -0.35 إلى -0.5 V مقابل Ag سلك الزائفة المرجعية القطب، في حين أن العينة ربما منحازة في 0 إلى -0.1 V ل [Ru(NH3)6]3+ تجديد. تعتمد هذه القيمة على الهضبة الحالية التي تم قياسها في مسح السيرة الذاتية. كما سيختلف مع وسطاء الأكسدة المختلفة كما هو ملخص في الجدول 1.

أيضا، تم اختيار تقنية قياس الكرونوامبيرومتريا بسبب عدم وجود تقنية I-t Amperometric في نظام قياس القوة الثنائية المقدم. إذا كان القراء لديهم ثنائية potentiostat التي تدعم تقنية I-t Amperometric، فإنها يمكن أن تحدد تقنية ط تي كما هو مبين في الشكل S9. تم تحديد وقت التشغيل ك 2000 ثانية للتأكد من أنه يكفي لعملية تصوير حالية واحدة على الأقل في AFM-SECM.

وعلاوة على ذلك، إعداد العينة مهم جدا أيضا منذ يجب أن تكون مشلولة الجسيمات الصلبة على الركيزة تماما بحيث الجسيمات لا تنفصل أثناء عملية التصوير. وعلاوة على ذلك، لمسح أو التحقيق الخصائص الكهروكيميائية أو الكهربائية من أسطح العينة (مثل، القطب)، الربط بين العينات والركائز يحتاج إلى ضمان الموصلية الكهربائية. وينبغي أن تكون أساليب إعداد العينة مفيدة وقابلة للإحالة إلى طائفة واسعة من التطبيقات، ولا سيما فيما يتعلق بتحديد خصائص الأجسام النانوية؛ ومع ذلك، قد تختلف أساليب تعطيل العينة مع عينات محددة65،66. بشكل عام ، أظهرنا أن AFM-SECM يتيح التصوير عالي الدقة ل NBs الأكسجين و Cu2O الجسيمات النانوية. ومن الواضح أن هذا البروتوكول AFM-SECM من المتوقع أن تلعب أدوارا هامة في التحليل الكهروكيميائية بين البينية وسيكون لها تطبيقات واسعة في مجالات البحوث المختلفة، مثل علوم المواد والكيمياء وعلوم الحياة1،19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

يتم تمويل هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (رقم الجائزة: 1756444) عبر الواجهات البيولوجية والبيئية لمواد النانو، والمعهد الوطني للأغذية والزراعة التابع لوزارة الزراعة الأميركية، ومشروع AFRI [2018-07549] واتفاقية المساعدة رقم 83945101-0 التي تمنحها وكالة حماية البيئة الأمريكية لمعهد نيوجيرسي للتكنولوجيا. ولم تستعرضه وكالة حماية البيئة رسميا. والآراء التي أعرب عنها في هذه الوثيقة هي آراء مؤلفين فقط ولا تعكس بالضرورة آراء الوكالة. لا تؤيد وكالة حماية البيئة أي منتجات أو خدمات تجارية مذكورة في هذا المنشور. كما يشكر المؤلفون برنامج البحث والابتكار الجامعي (URI) المرحلة 1 والمرحلة الثانية في معهد نيوجيرسي للتكنولوجيا.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Atomic force microsopy Bruker, CA Dimenison Icon
Bipotentiostat CH Instruments, Inc. CHI 700E
Materials
Silicon wafer TED PELLA, Inc. 16013
Fresh gold plates Bruker, CA model 119-017-307
PF-SECM-AFM probes Bruker, CA 990-050138
PF-SECM strain-release module Bruker, CA 840-012-724
PF-SECM Probe Holder Bruker, CA 900-050121
PF-SECM Chuck Bruker, CA PF-SECM Chuck
PF-SECM O-ring Bruker, CA 598-000-106
PF-SECM cover glass, SECM Cell Bruker, CA 900-050137
EC Cell Assy Bruker, CA 932-017-300
ESD Field Service Bruker, CA 490-000-066
PF-SECM Boot Bruker, CA 900-050136
Spring connector block Bruker, CA 900-050524
PFSECM Tweezers Bruker, CA
Cable, SECM Tip module Bruker, CA 468-050171
Ag wire Bruker, CA 249-000-056
Pt wire Bruker, CA 248-000-004
Hard sharp wire Bruker, CA TT-ECM10
Tubular ceramic membrane Refracton WFA0.1
Chemicals
Copper(II) chloride dihydrate ACROS Organics AC315281000
Sodium Hydroxide Fisher Chemical S318-100
Ascorbic Acid Fisher Chemical A61-25
Epoxy Loctite Instant Mix
Potassium Chloride Fisher Chemical P217-500
Hexaammineruthenium(III) chloride ACROS Organics AC363342500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shi, X., Qing, W., Marhaba, T., Zhang, W. Atomic Force Microscopy-Scanning Electrochemical Microscopy (AFM-SECM) for Nanoscale Topographical and Electrochemical Characterization: Principles, Applications and Perspectives. Electrochimica Acta. , 135472 (2019).
  2. Aazam, E. S., Ghoneim, M. M., El-Attar, M. A. Synthesis, characterization, electrochemical behavior, and biological activity of bisazomethine dye derived from 2, 3-diaminomaleonitrile and 2-hydroxy-1-naphthaldehyde and its zinc complex. Journal of Coordination Chemistry. 64 (14), 2506-2520 (2011).
  3. Shukla, A., Sampath, S., Vijayamohanan, K. Electrochemical supercapacitors: Energy storage beyond batteries. Current science. 79 (12), 1656-1661 (2000).
  4. Kötz, R., Carlen, M. Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2483-2498 (2000).
  5. Botte, G. G. Electrochemical manufacturing in the chemical industry. The Electrochemical Society Interface. 23 (3), 49-55 (2014).
  6. Kongsricharoern, N., Polprasert, C. Electrochemical precipitation of chromium (Cr6+) from an electroplating wastewater. Water Science and Technology. 31 (9), 109-117 (1995).
  7. Datta, M., Landolt, D. Fundamental aspects and applications of electrochemical microfabrication. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2535-2558 (2000).
  8. Wang, S., George, K., Nesic, S. High pressure CO2 corrosion electrochemistry and the effect of acetic acid. Corrosion/2004. 4375, paper (2004).
  9. Song, G. L. Corrosion of Magnesium alloys. , Elsevier. 3-65 (2011).
  10. Bellezze, T., Giuliani, G., Viceré, A., Roventi, G. Study of stainless steels corrosion in a strong acid mixture. Part 2: anodic selective dissolution, weight loss and electrochemical impedance spectroscopy tests. Corrosion Science. 130, 12-21 (2018).
  11. Ehsani, A., et al. Evaluation of Thymus vulgaris plant extract as an eco-friendly corrosion inhibitor for stainless steel 304 in acidic solution by means of electrochemical impedance spectroscopy, electrochemical noise analysis and density functional theory. Journal of Colloid and Interface Science. 490, 444-451 (2017).
  12. Cui, Z. H., Guo, X. X., Li, H. Equilibrium voltage and overpotential variation of nonaqueous Li-O2 batteries using the galvanostatic intermittent titration technique. Energy & Environmental Science. 8 (1), 182-187 (2015).
  13. Elgrishi, N., et al. A Practical Beginner's Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  14. Amemiya, S., Bard, A. J., Fan, F. R. F., Mirkin, M. V., Unwin, P. R. Scanning Electrochemical Microscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 1 (1), 95-131 (2008).
  15. Mirkin, M. V., Nogala, W., Velmurugan, J., Wang, Y. Scanning electrochemical microscopy in the 21st century. Update 1: five years after. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (48), 21196-21212 (2011).
  16. Bard, A. J., Fan, F. R. F., Kwak, J., Lev, O. Scanning electrochemical microscopy. Introduction and principles. Analytical Chemistry. 61 (2), 132-138 (1989).
  17. Engstrom, R. C., Pharr, C. M. Scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 61 (19), 1099-1104 (1989).
  18. Nellist, M. R., et al. Atomic force microscopy with nanoelectrode tips for high resolution electrochemical, nanoadhesion and nanoelectrical imaging. Nanotechnology. 28 (9), 095711 (2017).
  19. Patel, A. N., Kranz, C. (Multi) functional atomic force microscopy imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 11, 329-350 (2018).
  20. Ufheil, J., Heß, C., Borgwarth, K., Heinze, J. Nanostructuring and nanoanalysis by scanning electrochemical microscopy (SECM). Physical Chemistry Chemical Physics. 7 (17), 3185-3190 (2005).
  21. Bergner, S., Wegener, J., Matysik, F. M. Simultaneous imaging and chemical attack of a single living cell within a confluent cell monolayer by means of scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 83 (1), 169-174 (2011).
  22. Hu, K., et al. Platinized carbon nanoelectrodes as potentiometric and amperometric SECM probes. Journal of Solid State Electrochemistry. 17 (12), 2971-2977 (2013).
  23. Kranz, C. Recent advancements in nanoelectrodes and nanopipettes used in combined scanning electrochemical microscopy techniques. Analyst. 139 (2), 336-352 (2014).
  24. Morris, C. A., Chen, C. C., Baker, L. A. Transport of redox probes through single pores measured by scanning electrochemical-scanning ion conductance microscopy (SECM-SICM). Analyst. 137 (13), 2933-2938 (2012).
  25. Ludwig, M., Kranz, C., Schuhmann, W., Gaub, H. E. Topography feedback mechanism for the scanning electrochemical microscope based on hydrodynamic forces between tip and sample. Review of Scientific Instruments. 66 (4), 2857-2860 (1995).
  26. Eckhard, K., Schuhmann, W. Alternating current techniques in scanning electrochemical microscopy (AC-SECM). Analyst. 133 (11), 1486-1497 (2008).
  27. Macpherson, J. V., Unwin, P. R., Hillier, A. C., Bard, A. J. In-situ imaging of ionic crystal dissolution using an integrated electrochemical/AFM probe. Journal of the American Chemical Society. 118 (27), 6445-6452 (1996).
  28. Huang, K., Anne, A., Bahri, M. A., Demaille, C. Probing Individual Redox PEGylated Gold Nanoparticles by Electrochemical-Atomic Force Microscopy. ACS Nano. 7 (5), 4151-4163 (2013).
  29. Chennit, K., et al. Electrochemical Imaging of Dense Molecular Nanoarrays. Analytical Chemistry. 89 (20), 11061-11069 (2017).
  30. Jiang, J., et al. Nanoelectrical and Nanoelectrochemical Imaging of Pt/p-Si and Pt/p+-Si Electrodes. ChemSusChem. 10 (22), 4657-4663 (2017).
  31. Knittel, P., Mizaikoff, B., Kranz, C. Simultaneous nanomechanical and electrochemical mapping: combining peak force tapping atomic force microscopy with scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 88 (12), 6174-6178 (2016).
  32. Quist, A. P., et al. Atomic force microscopy imaging and electrical recording of lipid bilayers supported over microfabricated silicon chip nanopores: Lab-on-a-chip system for lipid membranes and ion channels. Langmuir. 23 (3), 1375-1380 (2007).
  33. Cohen, H., et al. Electrical characterization of self-assembled single- and double-stranded DNA monolayers using conductive AFM. Faraday Discussions. 131 (0), 367-376 (2006).
  34. Chung, J. W., et al. Single-crystalline organic nanowires with large mobility and strong fluorescence emission: a conductive-AFM and space-charge-limited-current study. Journal of Materials Chemistry. 19 (33), 5920-5925 (2009).
  35. Guo, D. Z., Hou, S. M., Zhang, G. M., Xue, Z. Q. Conductance fluctuation and degeneracy in nanocontact between a conductive AFM tip and a granular surface under small-load conditions. Applied Surface Science. 252 (14), 5149-5157 (2006).
  36. Rocca, E., Bertrand, G., Rapin, C., Labrune, J. C. Inhibition of copper aqueous corrosion by non-toxic linear sodium heptanoate: mechanism and ECAFM study. Journal of Electroanalytical Chemistry. 503 (1), 133-140 (2001).
  37. Toma, F. M., et al. Mechanistic insights into chemical and photochemical transformations of bismuth vanadate photoanodes. Nature Communications. 7, 12012 (2016).
  38. Kouzeki, T., Tatezono, S., Yanagi, H. Electrochromism of Orientation-Controlled Naphthalocyanine Thin Films. The Journal of Physical Chemistry. 100 (51), 20097-20102 (1996).
  39. Yamaguchi, Y., Shiota, M., Nakayama, Y., Hirai, N., Hara, S. Combined in situ EC-AFM and CV measurement study on lead electrode for lead-acid batteries. Journal of Power Sources. 93 (1), 104-111 (2001).
  40. Comstock, D. J., Elam, J. W., Pellin, M. J., Hersam, M. C. Integrated Ultramicroelectrode-Nanopipet Probe for Concurrent Scanning Electrochemical Microscopy and Scanning Ion Conductance Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (4), 1270-1276 (2010).
  41. Ebejer, N., Schnippering, M., Colburn, A. W., Edwards, M. A., Unwin, P. R. Localized High Resolution Electrochemistry and Multifunctional Imaging: Scanning Electrochemical Cell Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (22), 9141-9145 (2010).
  42. Ebejer, N., et al. Scanning Electrochemical Cell Microscopy: A Versatile Technique for Nanoscale Electrochemistry and Functional Imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 329-351 (2013).
  43. Alheshibri, M., Qian, J., Jehannin, M., Craig, V. S. A history of nanobubbles. Langmuir. 32 (43), 11086-11100 (2016).
  44. Liu, G., Wu, Z., Craig, V. S. Cleaning of protein-coated surfaces using nanobubbles: an investigation using a quartz crystal microbalance. The Journal of Physical Chemistry C. 112 (43), 16748-16753 (2008).
  45. Ghadimkhani, A., Zhang, W., Marhaba, T. Ceramic membrane defouling (cleaning) by air Nano Bubbles. Chemosphere. 146, 379-384 (2016).
  46. Uchida, T., et al. Transmission electron microscopic observations of nanobubbles and their capture of impurities in wastewater. Nanoscale Research Letters. 6 (1), 1 (2011).
  47. Ushikubo, F. Y., et al. Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 361 (1-3), 31-37 (2010).
  48. Bowley, W. W., Hammond, G. L. Controlling factors for oxygen transfer through bubbles. Industrial, Engineering Chemistry Process Design and Development. 17 (1), 2-8 (1978).
  49. Li, P., Takahashi, M., Chiba, K. Enhanced free-radical generation by shrinking microbubbles using a copper catalyst. Chemosphere. 77 (8), 1157-1160 (2009).
  50. Takahashi, M., et al. Effect of shrinking microbubble on gas hydrate formation. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (10), 2171-2173 (2003).
  51. Takahashi, M., Chiba, K., Li, P. Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus. The Journal of Physical Chemistry B. 111 (6), 1343-1347 (2007).
  52. Ahmed, A. K. A., et al. Influences of air, oxygen, nitrogen, and carbon dioxide nanobubbles on seed germination and plant growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (20), 5117-5124 (2018).
  53. Zhang, D. F., et al. Delicate control of crystallographic facet-oriented Cu 2 O nanocrystals and the correlated adsorption ability. Journal of Materials Chemistry. 19 (29), 5220-5225 (2009).
  54. Khaled Abdella Ahmed, A., et al. Colloidal Properties of Air, Oxygen, and Nitrogen Nanobubbles in Water: Effects of Ionic Strength, Natural Organic Matters, and Surfactants. Environmental Engineering Science. , (2017).
  55. Huang, Z., et al. PeakForce scanning electrochemical microscopy with nanoelectrode probes. Microscopy Today. 24 (6), 18-25 (2016).
  56. Lou, S. T., et al. Nanobubbles on solid surface imaged by atomic force microscopy. Journal of Vacuum Science, Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 18 (5), 2573-2575 (2000).
  57. Borkent, B. M., Dammer, S. M., Schönherr, H., Vancso, G. J., Lohse, D. Superstability of surface nanobubbles. Physical Review Letters. 98 (20), 204502 (2007).
  58. Agarwal, A., Ng, W. J., Liu, Y. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere. 84 (9), 1175-1180 (2011).
  59. Tasaki, T., Wada, T., Baba, Y., Kukizaki, M. Degradation of surfactants by an integrated nanobubbles/VUV irradiation technique. Industrial & Engineering Chemistry Research. 48 (9), 4237-4244 (2009).
  60. Fujita, D., Itoh, H., Ichimura, S., Kurosawa, T. Global standardization of scanning probe microscopy. Nanotechnology. 18 (8), 084002 (2007).
  61. Häßler-Grohne, W., Hüser, D., Johnsen, K. P., Frase, C. G., Bosse, H. Current limitations of SEM and AFM metrology for the characterization of 3D nanostructures. Measurement Science and Technology. 22 (9), 094003 (2011).
  62. Sakai, K. Measurement Techniques and Practices of Colloid and Interface Phenomena. , Springer. 51-57 (2019).
  63. Gan, T., Wu, B., Zhou, X., Zhang, G. Ultrahigh resolution, serial fabrication of three dimensionally-patterned protein nanostructures by liquid-mediated non-contact scanning probe lithography. RSC Advances. 6 (55), 50331-50335 (2016).
  64. Arteaga, J. F., et al. Comparison of the simple cyclic voltammetry (CV) and DPPH assays for the determination of antioxidant capacity of active principles. Molecules. 17 (5), 5126-5138 (2012).
  65. Moreno-Herrero, F., Colchero, J., Gomez-Herrero, J., Baro, A. Atomic force microscopy contact, tapping, and jumping modes for imaging biological samples in liquids. Physical Review E. 69 (3), 031915 (2004).
  66. Doktycz, M., et al. AFM imaging of bacteria in liquid media immobilized on gelatin coated mica surfaces. Ultramicroscopy. 97 (1-4), 209-216 (2003).

Tags

التراجع، العدد 168، النشاط الكهروكيميائية، AFM-SECM، المسح المجهري الكهروكيميائية، مجهر القوة الذرية، توصيف المواد النانوية
فحص النشاط الكهروكيميائية السطحية للمواد النانوية باستخدام المجهر الكهروكيميائية المسح المجهري للقوة الذرية الهجينة (AFM-SECM)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, … More

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, W. Probing Surface Electrochemical Activity of Nanomaterials using a Hybrid Atomic Force Microscope-Scanning Electrochemical Microscope (AFM-SECM). J. Vis. Exp. (168), e61111, doi:10.3791/61111 (2021).

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