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

Situ şanzıman elektron mikroskobu Için Graphene destekli Mikrowell sıvı hücrelerinin hazırlanması

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 habercisi çözeltisi altın nanokrystals In situ elektron mikroskobu için grafen destekli mikrowell sıvı hücrelerin hazırlanması için bir protokol sunulmuştur. Ayrıca, gözlenen dağlama ve büyüme dinamiklerini ölçmek için bir analiz rutini sunulmaktadır.

Abstract

Grafen destekli mikrowell sıvı hücrelerin imalatı ve hazırlanması (GSMLCs) in situ elektron mikroskobu bir step protokol sunulmaktadır. Gsmlcs çok yönlülük, bir haucl₄ öncü solüsyondan altın nanoyapıların dağlama ve büyüme dinamikleri hakkında bir çalışma bağlamında gösterilmiştir. Gsmlcs, konvansiyonel silikon ve grafen bazlı sıvı hücrelerin avantajlarını, tekrarlanabilir iyi derinliklerle birlikte facile hücre imalatı ve numunenin araştırma altında kullanımı ile birleştirir. GSMLCs, iki gofret bazlı sıvı hücre tasarımlarına kıyasla üretim sürecinin karmaşıklığını büyük ölçüde azaltan tek bir silikon substrat üzerinde imal edilmiştir. Burada, hiçbir bağlama veya hizalama işlemi adımları gereklidir. Ayrıca, kapalı sıvı hacmi sadece Silikon nitrür tabakasının kalınlığını ayarlayarak ilgili deneysel gereksinimlere uyarlanmış olabilir. Bu, elektron mikroskop vakum içinde şişkin pencere önemli bir azalma sağlar. Son olarak, tek partikül izleme ve dendrit oluşumunun sadece açık kaynaklı yazılım kullanarak sıvı hücre deneylerinde en modern nicel değerlendirilmesi sunulmaktadır.

Introduction

Modern malzeme bilimi, kimya ve hücre biyolojisi alt mikron ölçekli temel dinamik süreçler ve etkileri derin bir anlayış gerektirir. Uyarıcı-emisyon-tükenme floresans microskopi¹gibi gelişmiş optik mikroskopi tekniklerinin gücüne rağmen, ayrıntılı morfolojilere erişmek için doğrudan görüntüleme teknikleri elektron mikroskobu gerektirir. Özellikle, In situ (tarama) iletim elektron mikroskobu (S) Tem özel, vakum-sıkı hücreler²sıvıları kapsülleyerek proses dinamiklerine değerli anlayışlar aydınlatmak için gösterilmiştir. Nano oluşumu kinetik ve termodinamiklerin nicel araştırmaları gibi çeşitli deneyler³^,⁴^,⁵^,⁶, biyolojik numunelerin görüntülenmesi⁷^, ⁸ ^, ⁹ ^, ¹⁰ ve enerji depolama ile ilgili mekanizmaların çalışmaları¹¹^,¹² korozyon süreci dinamiği hakkında kapsamlı çalışmalar ile birlikte¹³ veya nanobubble fizik¹⁴,¹⁵^, ¹⁶ standart mikroskopi teknikleri kullanılarak erişilemiyor (S) Tem kullanarak birçok fenomen sökülmüş var.

Son on yıl içinde, situ SıVı hücre Tem (lctem) gerçekleştirmek için iki büyük yaklaşımlar kurulmuştur. İlk yaklaşımda, sıvı, si proses teknolojisi¹⁷ile üretilen iki si₃N₄membranı arasında bir boşlukta kapsüllenir, ancak ikinci olarak, iki grafen veya grafen oksit levhalar^{arasında küçük sıvı cepler oluşturulur 10}^,¹⁸. Hem silikon bazlı sıvı hücrelerin (silcs) hem de Graphene bazlı sıvı hücrelerin (GLCS) işlenmesi¹⁹^,²⁰^,²¹‘ dir. Her iki yaklaşım da önemli iyileştirmeler geçirmiş olmasına rağmen²²,²³^,²⁴^,²⁵, hala ilgili avantajları kombinasyonu eksikliği. Genel olarak, numunenin genellikle tanımlanmamış grafen ceplerinde yüksek çözünürlüklü görüntüleme¹⁸‘ i sağlayan küçük bir sıvı hacmine sahip olan ve daha kalın membranlar ve sıvı katmanlara neden olan iyi tanımlanmış hücre hacimleri arasında bir tradeoff var, hangi toplu sıvı²⁶ çözüm pahasına doğal duruma yakın bir ortam sağlamak². Ayrıca, bazı deneyler sadece silc mimarilerinde gerçekleştirilen ve özel bir Tem tutucu²⁸gerektiren bir sıvı akışı²⁶^,²⁷ bağlıdır.

Burada, TEM analizleri için statik grafen destekli mikrowell sıvı hücreler (GSMLCs) aracılığıyla yüksek performanslı in situ lctem için sıvı hücre yaklaşımının üretimini ve işlenmesini sunuyoruz. GSMLC ‘nin bir çizimi Şekil 1‘ de sunulmuştur. GSMLCs, situ yüksek çözünürlüklü iletim elektron mikroskobu (HRTEM) sonuçları⁶ ‘ da etkinleştirme yeteneğine sahip olduğunu kanıtladı ve aynı zamanda situ Tarama elektron mikroskobu²⁹için de uygulanabilir. Onların si teknoloji tabanlı çerçeve, tek bir gofret özel sıvı kalınlığı ve ekstra ince Membranlar ile tekrarlanarak şekilli hücrelerin seri üretim için izin verir. Bu hücreleri kaplayan grafen membranı, elektron ışını ilk grafen membrandan geçtikten sonra, elektron ışını kaynaklı perturbasyonları⁸^,³⁰^,³¹ ‘ i de azaltır. Hücrelerin düz topografyası, sıvı hücreden kaynaklanan gölgeleme efektleri olmadan enerji Dispersif X-ışını spektroskopisi (EDXS)⁶ gibi tamamlayıcı analiz yöntemleri için izin, yüksek kalitede çeşitli sağlayan in situ sıvı hücre elektron mikroskobu deneyler.

Protocol

1. microwell bazlı sıvı hücre şablonları imalatı Organik kalıntıları ve yerli oksit katmanlarını 175 μm kalınlığında, tek kristalin, bor-katkılı (1 – 30) Ωcm, 100 mm çap (100) Silikon gofret ile çıkarın. H2O2 ve tmah ile bir oksidasyon adımı uygulayın, ardından 1 – 5% HF çözeltisi içinde bir HF daldırma. 800 °C ‘ de kuru oksijen atmosferinde, 11 Nm (Şekil 2a) kalınlığına sahip bir oksit tabakası büyütmek için gofret oksitlemek. 3% dichlorethene (DCE) metalik kontaminasyon bağlamak için kullanılır. Düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme (LPCVD) ile bir stoichiometrik si3N4 katman yatırın. Si3N4 tabaka kalınlığı iyi derinliği tanımlar. Planlanan deney için uygun bir değer seçin (örn. 500 Nm) (Şekil 2B). Ön tarafı fotolitografi ve reaktif iyon aşındırma (RIE) (Şekil 2C) yoluyla yapılandırarak lateral iyi geometrisi tanımlayın. Örneğin altıgen dizilerde düzenlenmiş 2,5 μm yarıçaplı dairesel yapılar için uygun boyutlar vardır. Yapıdaki güçleri önlemek için iyi mesafeyi dikkatle seçin (örneğin, 5 μm). Başka bir mevduat 20 Nm stoichiometrik si3N4 tarafından lpcvd, hangi sıvı hücrenin alt membranı oluşturur (Şekil 2D). Yukarıda açıklanan yordamı izleyin (bkz. Adım 1,3). Daha sonra LC çerçevesinin geometrik boyutlarını ve onun TEM pencerelerini (Şekil 2e) (çerçeve çapı: 3 mm) tanımlayan arka tarafı yapı için ikinci bir photolithography/RIE adımını kullanın. 60 °C ‘ de% 20 KOH ‘da toplu mikroişleme yoluyla, önceden tanımlanmış alanda si ‘yi çıkarın ve serbest duran si3N4 membran (Şekil 2F) oluşturun. Son temizleme adımında kalan metal iyonlarının% 10 HCl çözeltisi ve deiyonize (dı) suyla çıkarın. 2. Grafin TEM ızgaraları üzerine aktarılması PMMA ‘da ticari olarak elde edilen birkaç katmanlı (6 – 8) CVD-Graphene ‘ nin yerleştirildiği doku ıslak. PMMA kaplamalı grafen, dı suyuyla dolu bir petri çanağına (Şekil 3A) batırın.Not: grafen katmanlarının sayısı uygulanabilir teknikler32,33kullanılarak belirlenebilir. Grafen tabakasını bir filtre kağıdına yerleştirin ve tüm fabrikasyon kuyularını (örn. 4 mm ²) kapsayacak şekilde parçalara ayırın (Şekil 3B). Kesme parçalarını Petri tabağına yeniden takın (Şekil 3c). Dı suyundan üretilen parçaları balık için holey karbon destek tabakası ile kaplanmış bir TEM ızgara kullanın. Bunu yapmak için, dikkatle suya ızgara dalış ve yüzey üzerinde yüzen grafen yakalamak. Izgarayı Anti-kapiller cımbız ile tutun (şekil 3D, e).Not: grafen-PMMA yığınının grafen sitesi tüm prosedür sırasında üstte kalır dikkat edin. Aksi takdirde, sonraki PMMA-kaldırma grafen katmanı lift-off olacaktır. Çarşaflar birkaç saat kuru olsun. 30 dakika boyunca bir aseton banyosunda PMMA koruma tabakasını çıkarın ve ardışık olarak numune kurutmadan etanol ve dı su daldırarak daha fazla temizlik adımları ekleyin. Daha sonra numune transferini kolaylaştırmak için düz bir gemi (örn. bir petri tabağı) kullanın. Numune daha sonra ortam koşullarında 30 dakika kurutun. 3. numune hazırlama Numuneyi GSMLC ‘de birleşme için hazırlayın. Bunu yapmak için, 1 mM stokta çözüm hazırlamak 196,915 mg HAuCl4· 3H2O KRISTALLERI 0,5 L dı su. Stok çözümünden istenilen miktarda numuneyi alın. Burada, 0,5 μL uygulanır. Bu, bir şırınga veya bir Eppendorf pipet kullanılarak yapılabilir. 4. GSMLC yükleme Fabrikasyon sıvı hücre şablonu aseton ve etanol ile durulayın. Bir ortam O2/n2 (20%/80%) Uygula membran wettability geliştirmek için 5 dakika plazma. Şablon veya grafen tabakası üzerinde 0,5 μL numune çözeltisi dispense. Evaporasyon nedeniyle konsantrasyonda değişiklikleri en aza indirmek için pürüzsüz bir çalışma prosedürü emin olun. Şablon karşı karşıya grafen ile mikro-desenli si3N4 katman üzerine Tem ızgara yerleştirin. Grafen kaplı TEM ızgarasına şablona basın. Alt si yok etmek için dikkatli olun si3N4 membran. Hücre kurutmayı hızlandırmak ve böylece konsantrasyon değişikliklerini azaltmak için bir doku ile aşırı solüsyonu çıkarın (Şekil 4A). Yaklaşık 2 – 3 dakika sonra, Graphene-si3N4 Van-der-Waals etkileşimi sıvı hücresi (Şekil 4b) yeterince mühürler. Alternatif olarak, aşırı solüsyonu kaldırmadan tamamen kurumaya hücre bırakın. İkincisi hücre işleme daha yüksek bir başarı oranı sunuyor. Ancak, numune çözümünde evaporasyon bazlı konsantrasyon değişimleri bu yaklaşımı kullanırken daha şiddetli olması bekleniyor.Not: başarılı kurutma işlemi çevre içinde bir kontrast değişikliği ile doğrulanabilir ( Şekil 4A, bkarşılaştırın). Grid ve GSMLC çerçevesi arasında bir cımbız ucu iterek bir cımbız ile TEM ızgarasını dikkatle kaldırın.Not: döküntü hareketleri altta yatan membranı kırabilir. Kesme kuvveti hasarını azaltmak için, küçük pencere kenarına paralel ızgara sitesinden başlayın. GSMLC ‘nin en az bir membranı optik mikroskobik (Şekil 4c) ile hala bozulmamış olup olmadığını kontrol edin. Tüm membranlarda kırık varsa, LCTEM imkansız olurdu. 5. TEM görüntüleme ve video analizi Örnek bir standart TEM tutucu kullanarak hazırladıktan sonra doğrudan bir (S) TEM yükleyin.Not: GLCs19için bildirildiğine göre, gsmlcs zamanla kurumaya olabilir. Bu nedenle, yükleme ve görüntüleme arasındaki süre minimize edilmelidir. Örnek ve mikroskop bağlı olarak, uygun bir görüntüleme tekniği ile örnek görüntü. Burada, 300 kV ‘lik ivme voltajında çalışan bir (S) TEM cihazı kullanılmaktadır. Işın kaynaklı eserler en aza indirmek için düşük doz kullanın ve hareket ile ilgili bulanıklık34önlemek için kısa bir pozlama süresi. Uzun vadeli deneyler durumunda, radyasyon hasarı azaltmak için kiriş engelle.Not: daha iyi bir temporal çözünürlük nedeniyle, TEM kinetik analizler için STEM üzerinde tercih edilecektir34 ve azaltılmış iyon azaltma35. Ancak, kalın numuneler34,35daha yüksek uzamsal çözünürlüğü nedeniyle kalın sıvı katmanları ve yüksek Z elemanları içine soruşturma için tercih edilir. Görüntü segmentasyon yöntemi İlgi özellikleri ayıklamak için uygun bir görüntü işleme platformu kullanın. Parçacık izleme ve analiz için, açık kaynak ımagej-Distribution FIJI36kullanın. Her Çerçevedeki her parçacık için kesin bilgi (öngörülen alan, barycenter) elde etmek için parçacıkları çözümleme fonksiyonunu kullanın.Not: Bu işlev, ikili görüntüler gerektirir. Eklenti TrackMate37yardımıyla Çerçeveler arasındaki parçacıkları bağlayın. Varsayılan olarak, TrackMate karanlık bir arka planda parlak parçacıklar arıyor, bu yüzden TrackMate başlamadan önce görüntüleri (BF-TEM durumunda) tersine çevirir. Trackmate sonuçlarını birleştirin ve Python tabanlı açık kaynak ekosistemi SciPy38,39kullanarak uygun bir script ile parçacıkları analiz . Dendrites gibi daha karmaşık yapıların kesin konturlarını ayıklamak için FIJI kullanın. Burada, analiz parçacıkları da uygulanabilir ( Şekil 6aAnkastre bakın).Not: el ile ilgi özelliklerini çözümlemek için uygulanabilir olabilir.

Representative Results

Hücrenin yüklendikten sonra, başarılı bir grafen transferi optik mikroskop altında kuyular üzerinde farklı gölgeli bir görünüm ile belirtilir. Bu, örneğin, Şekil 3csağ membranda görülebilir. Belirtildiği gibi, ince si3N4 tabaka kırmak için dikkatle Tem-Grid kaldırmak için çok önemlidir. Kırık bir membran durumunda, saydam ve kavisli kalıntıları optik mikroskop içinde açıkça görülebilir, Şekil 3csol iki membranlarda gösterildiği gibi. Kullanılan GSMLC tasarımında birden fazla görüntüleme alanı nedeniyle, hücre en az bir membran sağlam olduğu sürece kullanılabilir. Kırık membranlar, numuneyi elektron ışınına maruz bırakmadan TEM hizalama için kullanılabilir. Numune çözeltisinin başarılı bir şekilde kapsüllenme işlemi elektron mikroskobu sırasında doğrulanabilir. Şekil 5 , Nanopartiküllerin bir topluluğunda çözünme ve dendritik yapının büyümesi, GSMLC ‘de istatistiksel olarak değerlendirildiği tamamlayıcı video 1′ in bireysel mikrograflerini sunar. Görüntünün sürüklenme kaynaklı hareketinin yanı sıra, küçük bireysel ortogonal parçacık hareketleri görülebilir, çözelti parçacıklarının mevcut olduğunu gösterir. Ayrıca, partikül kesilmesi prevalansı, başarılı bir sıvı kapsayan olmadan mümkün olmayacaktır ıslak kimyasal reaksiyon mevcut olduğunu kanıtlıyor. Kapalı sıvılar için diğer tipik endikasyonlar kiriş kaynaklı kabarcık oluşumu19 veya parçacık hareket vardır. Grafen özellikli hücrelerdeki au parçacıklarının varlığı, parçacıklar aynı zamanda HAuCl440grafen kaynaklı azalmasına neden olabilir, çünkü sadece kesin bir sıvı ortamı göstermez. Elektronik enerji kaybı spektroskopisi (EELS) yoluyla kapalı sıvının oksijen doruklarına bir miktarlar da sıvı çevre41doğrulamak için gerçekleştirilebilir. Partikül büyümesi ve çözünme kinetiği anlayışına sahip olmak için, ortalama parametrelerin42gelişimini analiz etmek yerine her parçacığın bireysel olarak incelenmesi önemlidir. Aynı zamanda sadece kısmen kamera tarafından yakalanan çerçeve kenarlarında parçacıkları dışlamak için çok önemlidir, çünkü bu tür partiküllerin drift efekti ile ilgili pozisyon değişiklikleri büyüme veya çözünme süreçleri olarak yanlış olabilir. Aşındırma elektron ışını kaynaklı Radyoliz43tarafından oluşturulan oksidatif türlerin neden olduğuna inanılmaktadır. Yeterli istatistik sağlamak için, Hesaplamalı tek parçacık izleme gereklidir. Zaman içinde bireysel partiküllerin eşdeğer Radius varyasyonunun büyüme üs α tahmin ederek, altta yatan reaksiyon kinetik bilgi elde edilebilir. Bunu yapmak için, tüm parçacıklar tamamen küresel6,44olmasa bile, öngörülen parçacık alanına göre eşdeğer bir yarıçaplı tanıtmak mümkündür. Şekil 5B , Şekil 5A’da vurgulanan altı temsili parçacık için zaman içinde eşdeğer yarıçapın takibini gösterir. Şekil 5c , Şu anki çalışmada 73 çözünen partikülleri temel alan α dağılımı gösterir. Yalnızca bir Allometrik modelinin yarıçaplı düşüşün en az% 50 (ayarlı belirlenmesi katsayısı) olarak açıklanacağı parçacıklar kabul edilir. Ayrıca, bir dendrit yapısı yaklaşık 42 s sonra aynı iyi Şekil 6atasvir sonra hızla ortaya çıkar. Dendrite oluşumu sıvı hücreler45,46bir başka tipik, iyi belgelenmiş süreçtir. Dendrit büyümesini ölçmek için yapısal anahatlar ( Şekil 6a’da Ankastre bakın) analiz edilir. Zaman içinde uç yarıçapı ve hız gelişimi (bkz. Şekil 6B, c) beklenen hiperbolik ilişki47 ortaya çıkarır (Şekil 6d). Dendrite büyümesi, söz konusu parçacık gravür nedeniyle au-iyonlarının yerel süper doygunluk kaynaklanır. Şekil 5A’da, aşırı doymuş sistem dendrit büyümesini rahatlatır ederken partiküllerin hala çözünmesi açıkça görülebilir. Bu,6önce gözlenen GSMLC sıvı yüksek viskozitesinin bir sonucu olarak hem au-iyonlarının hem de oksidatif türlerin yerel konsantrasyon varyasyonları nedeniyle olabilir. Ancak, bu fenomen ayrıntılı bir tartışma, bu çalışmanın kapsamı dışındadır. Resim 1: BIR GSMLC çizimi: grafen destekli mikrowell sıvı hücrenin yapısının şemaları. Https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b03388 6’ dan itibaren yeniden yazdırılır. Diğer izinler Amerikan Kimya Derneği (ACS) yönlendirilmelidir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 2: GSMLC-çerçeveler imalatı. GSMLC-Frames üretim süreci şematik olarak çizilmiş. (a) temizlikten sonra si gofret oksidasyonu. (b) lpcvd si3N4. (c) ön tarafı si3N4 hücre hacmini tanımlamak için fotolitografi ve RIE tarafından desen. (d) si3N4 birikimi alt hücre penceresini oluşturmak için. (e) arka taraflı litografi ve RIG. (f) bir ayaklı oluşturmak için Koh ile toplu mikroişleme si3N4 mikrowells içeren membran. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 3: BIR Tem-Grid üzerine PMMA koruma tabakası ile birkaç katmanlı CVD-Graphene. PMMA ‘da birkaç katmanlı CVD-Graphene ‘ i p üzerinde, karbon kaplamalı bir TEM-Grid ‘ i üst kısmına aktarmanız görüntülenir. (a) dı su ile dolu bir petri tabak PMMA üzerinde birkaç katmanlı CVD grafen daldırma. (b) bir filtre kağıt üzerinde aktarılan Graphene/PMMA yığını GSMLC-çerçeveleri kapsayacak şekilde uygun parçalara kesilir. (c) bir kesim Graphene/PMMA parçasının yeniden daldırma. (d) Graphene/PMMA tabakasının bir holey karbon kaplamalı Tem ızgarası (e) Graphene/PMMA yığınına başarılı bir transferden sonra aktarılması. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 4: üst Tem ızgarasının kaldırılması. Yüklenmiş bir GSMLC ‘nin kurutma işlemi optik mikroskop yardımıyla belgelenmiştir. (a) yükleme işleminden sonra doğrudan GSMLC ‘nin üstüne GRAFEN kaplı Tem ızgarası yerleştirilir. Grafen tabakası, üç görüntüleme alanı kapsayan turkuaz dikdörtgen olarak görülebilir. Anahatları, siyah dikdörtgen tarafından kabaca çizilmiş. (b) yaklaşık iki dakika sonra, ıslak (koyu, (a)) ve yapışmış alan (Turkuaz) arasındaki kontrast değişimi ile neredeyse tamamen yapışmış bir membran görülebilir. (c) Tem ızgarasının lift-off den sonra bir GSMLC gösterilir, iki kırık membranların açığa (sol ve orta), ve başarıyla yüklenmiş ve mühürlü mikro bir membran (sağ). Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 5: nanopmadde yarıçapın temsili gelişimi. 183 bireysel parçacıkların yarıçaplı gelişimi izleniyor. (a) ek video 1’ den alınan görüntü dizisi. Altı temsilci parçacık vurgulanır. Renkli daireler, elde edilen eşdeğer yarıçapa karşılık gelir. (b) parçacık yarıçapındaki Logaritmik arsa. (c) negatif bir Allometrik üs α ‘nin otomatik rutin kullanılarak belirlendiği 73 partiküllerin histogram. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 6: Dendrite dinamikleri: beş dendrit dalları ipucu yarıçapı analiz edilir. Hata çubukları ilgili standart sapma için hesap. (a) yaklaşık 42 s sonra görülebilir gelişen dendrite gösteren tamamlayıcı video 1 alınan görüntü dizisi. Sağ resimde Ankastre gelişen dendrit konturları gösterir. Burada, pembe anahatlar 42,09 s, kırmızı 42,7 s ve mor için 43,3 s. (b) zaman içinde (Ortalama) uç yarıçapı gelişimi karşılık gelir. (c) zaman içinde çizilen ortalama ipucu hızı. (d) ortalamalı ucu hızına karşı logaritmik olarak çizilen ortalama uç yarıçapı, hiperbolik bağımlılığı (turuncu eğrisi) ortaya çıkarır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Şekil 7: SEM görüntü yüklü BIR gsmlc: düşük hızlanma voltajında (29 kV) yüklenmiş BIR GSMLC SEM ‘de HAADF stem modunda elde edilen bir TEMSILI SEM görüntüsü görüntülenir. Yukarıdaki 5 μm geniş mikrokuyuların yanı sıra, yukarıda yer alan grafen transferinden kaynaklanan iki kısmen çakışan dairesel holey karbon ızgaraları (2 μm çapı) görülebilir. İlk karbon ızgarası başarısız bir grafen transferinden kaynaklanıyor. Membran gölgeleme çoğunlukla kuyu bölgesinde sabit kalır, ama biraz iyi merkezi doğru karanlık görünür. Bu zayıf, negatif şişkin için hesaplar. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız. Ek video 1: In situ video au Nanopartiküllerin dağlama bir sıvı hücre parlak alan Tem çalışma temsili sonuçlarını gösteren ve bir dendrit yapının sonraki büyüme çevreleyen numune çözümün aşırı doyma neden. Bu dosyayı indirmek Için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Ticari olarak kullanılabilir sıvı hücrelerin aksine, özel yapılan GSMLCs onlar kolayca kullanılabilir TEM sahipleri sığacak şekilde tasarlanmış olabilir ve pahalı, adanmış sıvı hücre TEM tutucu gerektirmez avantajı vardır.

Burada gösterilen GSMLC mimarisi, potansiyel olarak benzersiz avantajlara yol açabilecek SiLCs ve GLCs yönlerini birleştirir. Bir yandan, SiLCs hücre konumu ve şekli kesin bir belirlenmesi için izin, ancak nispeten kalın gerektirir si₃N₄ membranlar elde etme etkilerini azaltmak için sonunda ulaşılabilir çözünürlüğü azaltarak. Diğer taraftan, GLCs, grafin oluşan son derece ince membran duvarlar sergiler, henüz rasgele Cep boyutları ve pozisyonları muzdarip. Bu iki membran yaklaşımlarını GSMLCs aracılığıyla birleştirerek,³⁵ hücre sınırlarının neden olduğu çözünürlük sınırlaması atlanabilir. İyi yapısı doğrudan si₃n₄ katmanına imal edildiği için, gerçek si₃n₄ membran Siliklerden daha küçük inşa edilebilir, zaten GSMLCS 6 ‘ da gösterildi hrtem analizleri basitleştirilmesi. Yine de, HRTEM genel olarak SiLCs ile de⁴⁸mümkün olduğunu unutulmamalıdır. Dahası, bireysel numune odalarının küçük membran alanları nedeniyle şiddetli pencere şişkinleme olmadan büyük görüntüleme alanları gerçekleştirilebilir. Böylece, şişkinlük ile ilgili Kalınlık artışı³⁵ Dukes ve al.⁴⁹tarafından gösterildiği gibi, büyük ölçüde geçersiz olabilir. Bu Şekil 7‘ de gösterilmiştir, burada bir temsili yüksek açı anüler karanlık alan (haadf) Al yüklü GSMLC kök görüntü görüntülenir. Bu görüntü bir çift kiriş sistemi kullanılarak elde edilmiştir. Bu kurulumda elde edilen görüntü parlaklığı doğrudan numune kalınlığına bağlı olduğundan, mühürlü mikrokuyuların sadece küçük negatif şişkinlük sergileyen açıkça görülebilir. Kelly ve ark.²⁴ , Şekil 7 ‘ de görülen negatif şişkin ve kısmi iyi kurutmayı iyi çapına bağlı olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, kuyu çapının azaltılması, sıvı kalınlığını daha da homojenize etmek için uygulanabilir bir yaklaşımdır.

GLCs denge cep şekli nedeniyle, sıvı kalınlığı da şiddetle siteye bağımlı³⁵. SiLCs farklı si Wafers kaynaklanan iki membranların tasarımını izleyin. Üst değiştirerek si₃N₄membran Graphene ile, sıvı hücreli imalat basitleştirilmiştir. Bu, sonraki ıslak gravür adımları sırasında iki gümrüklü si-gofret olası delaminasyon kaçınılabilir ve hücre yükleme sırasında iki gofret parça uyum atlanabilir anlamına gelir. Bu hücre mimarisinin bir tarafında bulunan düz yüzey, geleneksel SiLC mimarilerinde sınırlandırılmış, dik si kenarları50 etkileri gölgeleyen NUMUNENIN EDXS analizi gibi tamamlayıcı olarak situ analiz yöntemlerini sağlar.

Her iki alt ve üst kuyu sitesinde grafen ile önceden desenli Mikrokuyucuklu mühürleme²⁴^,²⁵önce gösterildi. İki grafen membranlarının uygulanması, ulaşılabilen çözünürlüğü artırabilir. Ancak, bir ikili grafen transferi, hazırlık sürecini daha da zorlaştırabilir; Özellikle bu en hassas hazırlık adımı olduğu kanıtlanmıştır (aşağıya bakın). Ayrıca, yukarıda tartışılan membran şişkinliğini iki Grafin membranlarda daha da kritik olması bekleniyor, çünkü grafen çok daha esnek bir si₃N₄ katman. Bu mimariler, mikrowells sıralı odaklı İyon ışını (FıB) frezeleme kullanılarak inşa edilmiştir. Bu yaklaşım yüksek kalitede sonuçlar elde ettiğini kanıtlamış olsa da, FıB frezeleme karmaşık ve pahalı hücre üretim tekniğidir. Nano baskı-veya photolithography gibi bugünün yarı iletken sektöründe zaten standart olan kitlesel paralel tek atış desen teknikleri kullanarak, ancak, hızlı olmanın büyük avantajı vardır, ucuz ve seri üretim için ölçeklenebilir.

Burada sunulan yaklaşım, diğer tasarımlar tarafından ulaşılabilen sıvı akış operasyonu için izin vermez unutulmamalıdır²⁸. Yükleme ve sıvı hacmi GSMLCs ve GLCs için karşılaştırılabilir olduğundan, membranın rüptürü nedeniyle yüksek vakum kontaminasyonu kaçınılabilir¹⁹. Bu, hantal bir mühür kontrolü ihtiyacını ortadan kaldırır. SiLCs ve GLCs avantajları birleştirilse de, her iki yaklaşımın dezavantajları GSMLCs ‘de hala mevcut. Hücrelerin imalatı, mutlaka TEM laboratuvarlarında mevcut olmayan silikon teknolojisi için temiz bir oda altyapısı gerektirir. Buna ek olarak, sıvı yükleme önemsiz değildir. Bu özel bir eğitim gerektirir, grafin hücrelerine benzer. Ancak bu, ticari olarak kullanılabilen sistemler için de geçerlidir. Burada, en hassas hazırlık adım, çünkü döküntü hareketleri veya gergin si₃N₄ katman kırmak muhtemeldir GRAFEN transfer sonra Tem-Grid kaldırma. Ancak, yedek membran pencereleri, en az bir membran alanı koruma olasılığını artırır. Sonuç olarak, eğitimli bir deney tarafından elde edilen verim (çalışılabilir GSMLC yongaları miktarı) dört⁶dışında üç, ve böylece Graphene tabanlı hücreler ile elde birini aşıyor (bir iki dışarı dört)¹⁹.

GLCs ‘de olduğu gibi, GSMLCs ‘deki sıvı kapsülleme, Van-der-Waals etkileşimlerini¹⁸‘ ye dayanır. Sonuç olarak, arayüz kontaminasyonu GSMLCs¹⁹işlenmesinde başarı oranını düşürebilir. Ayrıca, to-be-kapsüllü sıvı faz Hamaker sabiti bağlı olarak, yükleme işlemi sırasında ıslatma özellikleri (ve böylece ulaşılabilir verim)⁵¹ farklı olabilir ve bu nedenle hazırlık karmaşık olabilir. Deneyimlerimiz, örneğin, amphiphilik türler varsa bu durumda olduğunu gösterir.

GSMLC mimarisi, çeşitli deneysel Önkoşullar için adaptasyon sağlayan iyi derinlikleri esnek yapılandırma sağlar. Ayrıca, mimari, ± 75 ° geniş Tilt açı aralığı üzerinde elektron tomografi araştırması için uygundur, hangi de situ elektron tomografi için izin verecek⁵². Bu nedenle, situ ve Post mortem tomografisinde sıvı numunesi de gsmlcs ile kurulabilir.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Biz HAuCl₄ çözüm hazırlanması Için Tilo Schmutzler teşekkür ederiz. Ayrıca, kanıt okuma için R. Christian Martens teşekkür ederiz. Alman Araştırma Vakfı (DFG) tarafından araştırma eğitimi grubu GRK 1896 tarafından mali destek “elektronlar, X-ışınları ve tarama probları ilesitu mikroskobu” ve mükemmellik kümesi exc 315/2 EAM “mühendislik gelişmiş malzemeler” aracılığıyla minnetle kabul.

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).