Graphen flüssige Zelle Elektronenmikroskopie kann verwendet werden, um Nanocrystal Dynamik in einer flüssigen Umgebung mit größeren räumlichen Auflösung als andere flüssige Zelle Elektronen-Mikroskopie-Techniken zu beobachten. Radierung vorgefertigten Nanokristallen und im Anschluss an ihre Form mit Graphen flüssige Zelle Transmission Electron Microscopy nachgeben kann wichtige mechanistischen Informationen über Nanopartikel Transformationen.
Graphen flüssige Zelle Elektronenmikroskopie bietet die Möglichkeit, nanoskaligen chemische Umwandlungen zu beobachten und Dynamik wie die Reaktionen sind in flüssigen Umgebungen auftreten. Dieses Manuskript beschreibt den Prozess zur Herstellung von Graphen flüssigen Zellen am Beispiel des Graphen flüssige Zelle Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Experimente gold Nanocrystal Radierung. Das Protokoll zur Herstellung von Graphen flüssigen Zellen beinhaltet gold, löchrige Kohlenstoff TEM Grids mit chemical Vapor Deposition Graphen Beschichtung und dann mit diesen Graphen-beschichtete Netze Flüssigkeit zwischen zwei Graphen Flächen zu kapseln. Diese Taschen der Flüssigkeit, mit der Nanomaterialien von Interesse, werden im Elektronenmikroskop zu sehen, die Dynamik des Prozesses nanoskaligen, in diesem Fall die oxidative Ätzen von gold Laptops abgebildet. Durch die Steuerung der Elektronen Strahl Dosisleistung, die Gattung Radierung in der flüssigen Zelle moduliert, können die zugrunde liegenden Mechanismen wie Atome aus Nanokristallen, Facetten und Formen bilden entfernt werden besser verstanden werden. Graphen flüssige Zelle TEM hat die Vorteile der hohen räumlichen Auflösung, Kompatibilität mit traditionellen TEM Inhaber und geringe Startkosten für Forschungsgruppen. Aktuelle Einschränkungen umfassen zarte Probenvorbereitung, Mangel an Fluss-Fähigkeit und Abhängigkeit von Elektronen Strahl erzeugt Radiolyse Produkte um Reaktionen hervorzurufen. Mit Weiterentwicklung und Kontrolle, Graphen flüssige Zelle möglicherweise eine allgegenwärtige Technik Nanomaterialien und Biologie und ist bereits genutzt, um Mechanismen zu studieren bezüglich Wachstum, Radierung und Selbstmontage Prozesse von Nanomaterialien in Flüssigkeit auf die Einzelkorn-Ebene.
Kontrollierbar Synthese von Nanokristallen1 und Montage von Nanopartikeln in größeren Strukturen2,3 erfordert ein Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die EZB, wie Atome und Nanopartikel interagieren und binden zusammen. Im Idealfall Untersuchungen dieser nanoskaligen Prozesse würde in ihrer natürlichen flüssigen Umgebung mit den entsprechenden räumlichen Auflösung notwendig, die Phänomene des Interesses zu betrachten, aber diese Anforderungen Herausforderungen aufgrund der Nanometer Länge Maßstab, an dem diese Systeme funktionieren. Forscher haben lange die räumliche Auflösung der Elektronenmikroskopie verwenden, um diese Prozesse Bild gewünscht, aber das Hochvakuum der Elektronenmikroskop Spalte erfordert Kapselung der flüssigen Lösung4. Einige frühe liquid Zellexperimente Elektronenmikroskop gekapselt Flüssigkeit zwischen zwei Silizium-Nitrid Membranen5,6,7,8, und diese Methode ist mittlerweile im Handel erhältlich Technik für die dynamische nanoskaligen Prozesse zu studieren.
Handelsübliche Silizium-Nitrid flüssige Zelle TEM Inhaber lieferten die notwendige Auflösung zu sehen und zu verstehen, eine Vielzahl von interessanten Phänomene auf der Nanoskala9,10,11,12 , 13 , 14 , 15 , 16. einige kommerzielle flüssige Zelle TEM Inhaber haben zusätzliche Funktionen wie Heizung, Strom, und elektrische Anschlüsse, die weiter erweitern den Bereich der nanoskaligen Prozesse, die untersucht werden können. Jedoch sind die kommerziellen Systeme mit all diesen Funktionen, nicht optimiert um die höchste räumliche Auflösung zu erreichen. Für Forscher, die verbesserte räumliche Auflösung benötigen, sind verringert die Fensterdicke und verringern die flüssigen Dicke zwei mögliche Routen zu weniger Balken ELEKTRONENSTREUUNG und bessere Auflösung17. Einige Gruppen, die Silizium-Nitrid flüssigen Zellen verwenden fertigen ihre eigenen Fenster die größere Kontrolle über die Fenster und flüssigen dicken ergibt. 18 die verminderte Streuung dieser hausgemachten flüssigen Zellen ermöglichte Elektronenmikroskopie Studien mit größeren räumlichen Auflösung inkl. atomarer Auflösung Studien19,20,21.
Da die Materialstärke Verkapselung ein Aspekt, das wirkt sich negativ auf die räumliche Auflösung der flüssigen Zellexperimente ist, atomar dünne, Low-Z Materialien wie Graphen wäre ideal Verkapselung Materialien22, 23. Graphene Blätter sind immer noch stark genug, um die flüssige Taschen aus der Druckdifferenz der Spalte zu schützen. Darüber hinaus enthalten diese Graphen liquid Handy Taschen in der Regel dünnere Schichten der Flüssigkeit, die erreichbare räumliche Auflösung weiter zu verbessern. Viele interessante nanoskaligen Prozesse wurden mit Graphen flüssigen Zellen einschließlich nach Nanopartikel Facette Flugbahnen und Nanopartikel Dynamik mit atomarer Auflösung23,24,25 Studien untersucht ,26,27. Unbeabsichtigter Vorteil der Graphen flüssige Zelle Technik ist, dass diese hohe räumliche Auflösung erreicht werden kann, ohne den Kauf eines anderen TEM Halter oder spezialisierte Silizium-Herstellung. Experimente mit Silizium-Nitrid-Zellen, die hohen Auflösung auch erreicht benötigt große Nanopartikel bestehend aus schweren Atomen, während die Auflösung durch die Graphen flüssige Zelle gewonnen atomaren Auflösung für Sub-2 nm Nanopartikel25bieten kann. Darüber hinaus hat die Graphen flüssige Zelle eröffnet Möglichkeiten für die Untersuchung biologischer Proben mit Elektronenmikroskopie aufgrund der flexiblen Natur von Graphen für Kapselung28,29 und die Fähigkeit des Graphen zur Milderung einige der schädlichen Auswirkungen des Elektrons Breite30. Aufgrund dieser Vorteile hat Graphen flüssige Zelle Elektronenmikroskopie das Potenzial, ein Standardverfahren in der Nanowissenschaft Gemeinschaft zu werden, sobald größere Zahl von Forschern besser zu verstehen, ob diese Technik helfen kann, ihre Forschung und wie bewerbe ich Diese Technik.
Forscher in der chemischen, Nanomaterialien, biologische und andere Felder in dem Wunsch Ortsauflösung von in Situ Transformationen können von Graphen flüssige Zelle Elektronenmikroskopie Technik profitieren. Diese in Situ -Methode ist besonders für nicht-Gleichgewichts-Prozesse, die Visualisierung bei der Transformation zu verlangen. Ein erheblicher Nachteil des flüssigen Zelle TEM Techniken ist die Generation der Radiolyse Spezies durch die störungstheoretische Elektronen Strahl31, die unerwünschte Veränderungen im empfindlichen Proben zu bewirken können. Forscher entwickelten Modelle um zu versuchen, die Strahl-angetrieben Chemie31,32zu quantifizieren, und Strategien werden entwickelt, um diese Effekte30,32zu mildern. Graphen flüssige Zelle TEM hat die zusätzliche Herausforderung als zerbrechlich und oft schwer zu machen, vor allem für Forscher neu auf die Technik. Das Ziel dieses Artikels ist (Abbildung 1), teilen die Details wie Graphen flüssige Zelle TEM Experimente durchgeführt werden kann, experimentieren, beobachten, Einzelkorn-Radierung von Nanokristallen und hoffentlich zeigen, dass Graphen flüssige Zelle anhand eines Beispiels Experimente sind für fast jede Gruppe mit Zugang zu einem Elektronenmikroskop möglich. Das Protokoll wird Graphen Beschichtung von Rastern, flüssige Zellbildung, TEM Einsatz für Graphen flüssige Zelle Ätzen Experimente und Bild-Analyse-Techniken abdecken. Wichtige Schritte bei der Herstellung der flüssigen Zellen wie die Größe der Tröpfchen eingekapselt, sorgfältigen Prüfung der flüssigen Lösung Inhalt und Verwendung von nur direkte Übertragung Graphen mit zusätzlichen Hinweise zur Wiederholung die Fallstricke vermeiden abgedeckt werden frühere Forscher. Graphen flüssige Zelle TEM ist eine neue Technik für Nanoforschung und dieses Artikels können neue Marktteilnehmer zu beginnen, nutzen diese Technik.
Graphen flüssige Zelle Elektronenmikroskopie mechanistischen informieren über Nanocrystal Wachstum und Ätzen mit hoher räumlicher Auflösung, aber da Graphen flüssigen Zellen schwierig und heikel sein kann, die Technik erfordert Liebe zum detail verwertbare Daten zu extrahieren. Auch nach umfangreichen Praxis, Graphen flüssigen Zellen nur etwa die Hälfte, ein Viertel aus flüssigen Zellen erfolgreich Kapseln Sie die flüssige Lösung. Der entscheidende Schritt bei der Bildung von flüssiger Zellen setzt das zweite Grid auf der Oberseite der Tropfen der Flüssigkeit. Häufige Fehler sind immer die Pinzette stecken zwischen den beiden Netzen, fallen das zweite Grid auch weit außerhalb der Mitte, und beginnend mit einem Tröpfchen, die zu groß ist. Da die Montage von Graphen flüssigen Zellen heikel ist und feinmotorische Fähigkeiten erfordert, dauert es normalerweise Praxis erfolgreich die flüssigen Taschen machen. Aufgrund des Aufwands der Graphen-beschichtete TEM Netze ist es dringend empfohlen, dass neue Graphen Flüssigkeit Zelle Benutzer erste Praxis die flüssigen Zelle Entscheidungsprozess auf traditionelle Kupfer, amorphem Kohlenstoff TEM Gittern, Geld zu sparen.
Ermittlung der Ursachen des Scheiterns für flüssige Zellen kann schwierig sein, weil ein Forscher nicht wissen vielleicht, ob jeder Schritt erfolgreich wurde bis imaging der Probe am Ende, und Fehler, wie die Graphen kratzen können unbemerkt. Der einfachste Fehler zu identifizieren ist eine unsachgemäße Montage, weil der Forscher liquid Austritt aus der Graphen flüssige Zelle sofort sehen. Probleme mit der Herstellung der Graphen auf Kupfer Gittern, wie Risse von der Graphen kann schwieriger zu lokalisieren. Die Qualität der Graphen kann überprüft werden, sowohl vor als auch nach der Beschichtung die TEM-Raster mit Raman-Spektroskopie, aber die Graphen ist nach diesen Tests in der Regel unbrauchbar. Darüber hinaus ist es wichtig, sofort Überweisung Graphen zu verwenden, da die zwei Gesichter des Graphen geschnürt sauber, um eine Dichtung durch Van-Der-Waals-Kräfte richtig zu bilden müssen. Graphen-beschichtete Netze durch Polymer Transfermethoden machen kann Polymer auf der Seite des Graphen Rückstände, die erwartet wird, um miteinander zu verbinden. Wenn die korrekte Vorgehensweise mit den richtigen TEM-Grids folgt, ist Mangel an Erfolg mit dem Graphen flüssige Zelle in der Regel durch falsche Handhabung des Graphen und Netze während der Montage und Herstellung.
Graphen flüssige Zelle TEM Vorschüsse vorhandenen flüssigen Zelle TEM Techniken mit einem viel dünner Kapselung Material, das verwendet im traditionellen TEM Inhaber, die hohe Auflösung und die Facette Flugbahn Tracking Experimente viel einfacher. Mit der Auflösung von kommerziellen Nitrid Membran flüssige Siliziumzellen würde ein Großteil der Facette und kinetische Informationen, die durch Ätzen Nanokristalle in der Graphen flüssige Zelle erreicht werden kann verloren gehen. Graphen, die flüssigen Zellexperimente TEM auch auf bestehende Single durchgeführt werden können kippen TEM Inhaber negiert die Notwendigkeit für teure neue spezialisierte Inhaber. Weiter, die Graphen flüssige Zelle kann in jeder Besitzer, die akzeptiert TEM Raster Standardproben ermöglicht flüssige Zellexperimente in durchgeführt werden erweiterte Inhaber (Heizung, Tilt, Kühlung, Cryo, Cathodoluminescence) wo gestellt werden Silizium-Nitrid Flüssigkeit Zellen sind nicht ausgelegt. Darüber hinaus stellen Graphen flüssigen Zellen die Gefahr der Absturz des Vakuums der TEM-Spalte, wenn die Taschen wie andere flüssige Zelle TEM Techniken Bruch. Obwohl die Graphen flüssige Zelle eine allgegenwärtige Technik in Nanocrystal Bereichen noch nicht, seine Benutzerfreundlichkeit und räumliche Auflösung es viel mehr am meisten benutzt in der Zukunft macht.
Auch mit seinen vielen Vorteilen hat Graphen flüssige Zelle TEM Einschränkungen über die Arten von Experimenten, die ausgeführt werden können. Etwas Flüssigkeit verdampft, wie Form, Taschen, so dass es schwierig ist, die Konzentration der Spezies in Lösung, genau zu bestimmen, auch ohne Berücksichtigung der Electron Beam-Effekte. Graphen flüssigen Zellen haben auch zufällige Größen, Höhen und Verteilungen von kleinen Taschen, also Silizium-Nitrid-Durchflusszellen den Vorteil von mehr quantifizierbaren Pre-Strahl-Konzentrationen und große, einheitliche flüssigen Schichten. Wie in dieser Arbeit beschrieben, können nur vorinstallierte Proben mit Graphen flüssige Zelle in der TEM, so ist es nicht möglich ist, fließen in andere Lösungen, um chemische Reaktionen auslösen angezeigt werden. Der Radiolyse-Arten durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der flüssigen Lösung erzeugt sind der einzige Auslöser, der verwendet werden kann, um eine Reaktion zu starten. Noch nicht nachgewiesen, können thermisch initiierten Prozesse in Graphen flüssigen Zellen mit standard Heizung Haltern ausgelöst werden. Elektron strahleninduzierten Radiolyse Auswirkungen können sind noch nicht vollständig verstanden und schwer zu kontrollieren. Forscher entwickelten kinetischen Modelle bestimmen den Inhalt des flüssigen Zelle Taschen nach Strahl Interaktion31,32, aber ihre Genauigkeit ist begrenzt durch die Anzahl der Reaktionen, die in das Modell und alle unbekannten Konzentration enthalten Änderungen infolge der Trocknung. Komplexe erste Tasche Inhalt mit vielen reagierenden Arten wie FeCl3, Tris-Puffer und sogar Graphen30, können schwierig zu verstehen, unter Verwendung eines kinetischen Modells sein. Ein weiterer Nachteil der flüssigen Zelle Elektronenmikroskopie ist, dass es schwierig ist, die Zusammensetzung der Kristalle gebildet bei dynamischen Vorgängen zu charakterisieren. Zum Beispiel in wachstumsversuchen Mehrkomponenten-Systeme, es möglicherweise unmöglich zu unterscheiden, was Phasen oder Arten wachsen, wenn die neue Nanokristalle amorphen oder nicht auf Zone-Achse sind. Dies ist ein weiterer Grund warum das Ätzen vorgeformte Nanokristalle eines bekannten stoffgemischs sitzen auf einer bekannten Zone Achse wünschenswert ist. Zu guter Letzt gibt es noch einige Argumente, dass strahleninduzierten Reaktionen in einem Graphen flüssige Zelle nicht die Bedingungen der Ex-Situ -Reaktionen in einem Kolben repräsentieren.
Zukünftige Graphen flüssige Zelle Experimente werden helfen, einige dieser Bedenken zu lindern, während auch mit neuen TEM um weitere Fortschritte Sonde die zugrunde liegenden Geheimnisse von Nanokristallen. Korrelative ex-Situ Nanocrystal Synthese und Radierung Experimente werden entscheidend erhärten die Mechanismen in flüssigen Zellexperimente TEM gesehen. Auch Forscher haben begonnen, auf Graphen flüssige Zelle TEM35 Fluss Funktionen hinzufügen und machen mehr kontrollierte Taschen36 einschließlich Arrays von Graphen flüssigen Zellen mittels lithographically Löcher37vorbereitet. Fortschritte in der Elektronenmikroskopie Auflösung und Kamera Geschwindigkeit machen Graphen flüssige Zelle weiter in der Lage, atomaren Dynamik während Nanocrystal Transformationen zu studieren. Kleine Taschen von Flüssigkeit in ein atomar dünnen Material wie Graphen für Gebrauch in der Elektronenmikroskopie hat eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und zweifellos ein Grundnahrungsmittel der Nanowissenschaften Forschung in der Zukunft.
The authors have nothing to disclose.
Die Arbeit wurde unterstützt vom U.S. Department of Energy, Office of Science, Büro von Energie Grundlagenwissenschaften, Materialwissenschaften und Engineering-Abteilung, unter Vertragsnr. DE-AC02-05-CH11231 innerhalb der physikalischen Chemie der anorganischen Nanostrukturen Programm (KC3103).
2-propanol (Isopropanol) | Sigma Aldrich | 190764-4L | |
Acetone | Fisher Chemical | A949-4 HPLC Grade | |
FeCl3 | Sigma Aldrich | 44944-250g | |
Gold Quantifoil, Amorphous Carbon TEM Grids | SPI Supplies | 4230G-XA | 300 Mesh Gold, R1.2/1.3- Often extensively on back-order |
Graphene | ACS Materials | GnVCu3~5L-4x2in | We special order this to get graphene only on one side. The double sided product number is CVCU3022. Usually, we use 3-5 layer graphene for making Graphene Liquid Cells. If researchers need single layer graphene for their liquid cells, we have been using Grolltex recently |
Hot Plate | IKA | C-MAG HS 7 Digital | |
Hydrochlorid Acid | Fisher Chemical | 7647-01-0 | |
Kimwipe Tissues | Kimberly-Clark | 34120 | |
Matlab | Mathworks | ||
Millipore Water Filter | Millipore | F4NA85846D | |
Sodium Persulfate | Sigma Aldrich | 71890-500g | |
Surgical Scalpel Blade | Swann-Morton | No. 6 | |
TEM | FEI | Tecnai T20 S-Twin | TEM needs to be linked to camera acquisition software to allow for dose rate calibration procedures. |
TEM Cameara for in situ data collection | Gatan | Orius SC200 | Custom digital micrograph scripts (written in house) for calibrating the C2 lens value to dose rate and collect in situ datasets |
TEM Single Tilt Sample Holder | FEI | ||
Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride (Tris Buffer HCl) | Fisher Biotech | 1185-53-1 | |
Tweezers | Excelta | 7-SA |