使用混合原子力显微镜扫描电化学显微镜（AFM-SECM）探测纳米材料的表面电化学活性

摘要

原子力显微镜 （AFM） 与扫描电化学显微镜 （SECM） 相结合，即 AFM-SECM，可用于同时获取纳米级材料表面的高分辨率地形和电化学信息。这些信息对于了解纳米材料、电极和生物材料的局部表面的异质特性（例如反应、缺陷和反应位点）至关重要。

摘要

扫描电化学显微镜 （SECM） 用于测量液体/固体、液体/气体和液体/液体接口的局部电化学行为。原子力显微镜 （AFM） 是一种多功能工具，从地形和机械特性的角度描述微观和纳米结构。但是，传统的 SECM 或 AFM 提供有限横向解决的纳米级电化学性能信息。例如，传统的电化学方法很难解决晶体表面纳米材料表面的活动。本文报告了 AFM 和 SECM（即 AFM-SECM）的组合应用，在获取高分辨率地形数据的同时，探测纳米级表面电化学活动。这种测量对于理解纳米结构与反应活动之间的关系至关重要，这与材料科学、生命科学和化学过程的广泛应用有关。通过分别绘制分面纳米粒子 （NPs） 和纳米泡 （NBs） 的地形和电化学特性，证明了 AFM-SECM 组合的多功能性。与之前报告的SECM纳米结构成像相比，该 AFM-SECM 能够对局部表面活动或反应率进行定量评估，并具有更高的表面映射分辨率。

引言

电化学（EC）行为的特征可以提供对不同领域相互反应的动力学和机制的重要见解，如生物学^1、2、能量^3、4、材料合成^5、6、7和化学过程^8、9。传统的EC测量，包括电化学阻抗光谱^10，电化学噪声方法^11，电静电间歇性滴定^12，周期伏测¹³通常以宏观尺度进行，并提供表面平均响应。因此，很难提取有关电化学活动如何分布在表面的信息，但在纳米材料被广泛使用的情况下，纳米尺度中的局部尺度表面特性尤为重要。因此，能够同时捕获纳米级多维信息和电化学的新技术是非常可取的。

扫描电化学显微镜（SECM）是测量^微尺度和纳米级材料局部电化学活性的一种广泛应用的技术。通常，SECM 使用超微电极作为探测器，用于检测电活性化学物种，因为它扫描样品表面以空间解决局部电化学特性¹⁵。探针上测量的电流是由介质物种的减少（或氧化）产生的，而这种电流是样品表面电化学反应的指标。SECM在1989^年16、17年首次成立以来，已经发生了显著的发展，但它仍然受到两个主要限制的挑战。由于 EC 信号通常对尖端基板相互作用特性敏感，SECM 的一个限制是，由于地形与收集的 EC 信息¹⁸的卷积，将探针保持在恒定高度可防止电化学活动与表面景观的直接相关性。其次，商业 SECM 系统很难获得亚微米 （μm） 图像分辨率，因为空间分辨率部分由¹⁹微米尺度的探针尺寸决定。因此，纳米电极，直径在纳米范围内的电极，越来越多地用于SECM，以达到低于亚微米尺度20，21，22，23的分辨率。

为了提供恒定的尖端基板距离控制，获得更高的空间电化学分辨率，采用了SECM的几种混合技术，如离子传导定位^24、剪切力定位^25、交替电流SECM²⁶和原子力显微镜（AFM）定位。在这些仪器中，SECM 集成 AFM 定位 （AFM-SECM） 已成为一种很有前途的方法。由于 AFM 可以提供固定的尖端基板距离，因此集成的 AFM-SECM 技术通过用锋利的 AFM 尖端进行映射或样品扫描，可同时获取纳米级表面结构和电化学信息。自1996年麦克弗森和翁温首次成功运行AFM-SECM以来，探测器的设计和制造以及在化学和生物过程电化学等各个研究领域的应用都取得了重大进展。例如，AFM-SECM已用于成像复合材料表面，如高贵金属纳米粒子^28、功能化或维度稳定的电极29、30和电子设备^31。AFM-SECM 可以从尖端电流图像绘制电化学活性站点的地图。

同时地形和电化学测量也可以通过其他技术实现，如导电自动对焦32，33，34，35，电化学AFM（EC-AFM）36，37，38，39扫描 离子传导显微镜扫描电化学显微镜（SICM-SECM）24，40，扫描电化学细胞显微镜（SECCM）41，42这些技术之间的比较已经在审查文件1中讨论。本工作的目的是利用SECM-AFM来演示水中两面晶体杯氧化物纳米材料和纳米泡的电化学制图和测量。在清洁能源应用中，面纳米材料被广泛合成为金属氧化物催化剂，因为具有独特晶体特征的面具有独特的表面原子结构，并进一步支配其催化特性。此外，我们还测量和比较了金基板表面纳米气泡（NBs）在液/气接口的电化学行为。NB是直径为<1μm（也称为超细气泡^）43的气泡，它们能引起许多有趣的特性44，45，包括在解决方案^46，47和高效率的气体质量转移^46，48的长时间居住时间。此外，NBs的崩溃会产生冲击波，并形成羟基基（+OH）49、50、51、52。我们测量了溶液中氧 NB 的电化学反应性，以更好地了解 NBs 的基本化学性质。

研究方案

1. 样品准备

1. 制备分面Cu₂O纳米粒子和硅基板沉积
   1. 溶解 0.175 克 CuCl₂∙ 2H₂O （99.9%）进入100mL的除离子（DI）水，产生10mM CuCl₂的水溶液。
   2. 将 10.0 mL 的 2.0 M NaOH 和 10 mL 的 0.6 M 抗酸滴入 CuCl₂ 解决方案中。
   3. 在 55 °C 水浴中持续搅拌 250 mL 圆底烧瓶中加热溶液 3 小时。
   4. 通过离心收集由此产生的沉淀物（5，000 x g 15 分钟），然后用 DI 水洗涤 3 次，乙醇两次，以去除残留的无机离子和聚合物。
   5. 干燥沉淀在真空中60°C为5小时^53。
   6. 使用准备好的硅晶片作为基板，使用环氧树脂沉积 Cu₂O 纳米粒子，如 图 1A 所示，以确保测试。
      注意:硅晶片（+3"硅晶圆，P/<111>）被切成一块38毫米x38毫米，然后用乙醇、甲醇和DI水清洗以去除有机和无机污染物。
   7. 使用移液器尖端和带清洁玻璃滑梯的瓷砖，将 10 μL 的环氧树脂直接沉积在清洁的硅晶片上。约5分钟后，将10μL的纳米粒子/水悬浮液（10毫克^L-1）分别滴到不同的环氧涂层硅晶片基板上。 图1B 中显示的四个不同的红点表明沉积纳米粒子的潜在位置。
   8. 真空干燥基板在40°C 6小时。
   9. 将样品基板放入EC样本单元（图4），以填充0.1 M KCl的1.8 mL，其中含有10m Ru（NH_3）6Cl3（98%）。
2. 准备国家统计局
   1. 通过直接注入压缩氧产生氧气纳米泡（纯度 99.999%）通过管状陶瓷膜（100纳米孔径大小，WFA0.1）进入DI水。
      注:气体在414 kPa的压力和0.45^L-m-1 的流量下连续注入，直到达到稳定的气泡大小分布，如其他地方⁵⁴所报道的。
   2. 在EC样品单元的金基板上加入1.8 mL的RB水悬浮，稳定10分钟。
      注:新鲜 40 mm x 40 mm 金盘（在 Si 上）用作固定 NBs 的基材。
   3. 在 0.1 M KCl 中，将 NB 悬架的 0.9 mL 减为 10 mM Ru （NH_3）6Cl₃解决方案的 0.9 mL。

2. 自动对焦-证券交易委员会的设置

注:AFM 用于呈现的 AFM-SECM 测量。为了执行欧共体的分析，AFM 配备了双能力统计器和 SECM 配件。如图S1所示，双电位统计器连接到 AFM 控制器，强力电机和自动对焦器都连接到同一台计算机。配件包括一个SECM夹头，一个带有保护靴的SECM探头架，以及一个带电阻选择器（使用10 MΩ电阻）来限制最大电流⁵⁵的应变释放模块。如图2所示，AFM-SECM探头的尖端半径为25纳米，尖端高度为215纳米。样品充当工作电极，使用 Ag 线电极（直径 25 毫米）和 Pt 线（直径 25 毫米）的反电极共享相同的伪参考。探针和样品可能具有不同的潜力（与Ag线伪参考电极相比），以实现不同的氧化物反应。在提交的作品中，尖端将 [Ru （NH_3]6]^3]减少到 [Ru （NH_3]6]²⁺在 -400 mV 与 Ag 线伪参考电极。

1. 用 SECM 夹头替换现有样品夹头，然后使用两个 M3 x 6 mm 插座头盖螺钉和 2.5 毫米十六角扳手（图 3A）拧到位。
2. 将温度控制电缆连接到 SECM 夹头，并将低噪音 SECM 电缆连接到弹簧连接器块（颜色对颜色）和开关块（图 3B）。
   注意:在 SECM 测试期间，开关需要保持在右侧。
3. 将应变释放模块安装到 AFM 扫描仪上，并将其连接到弹簧连接器块上的工作电极连接器，并带有扩展电缆 （图 3C）。
4. 组装EC样本单元。
   1. 将插入件放在顶部环（图4A）上。
   2. 将两个 O 形环分别组装到插入的底部凹槽和顶部凹槽上（图4B和图 4C）。
   3. 将玻璃盖放在顶部环顶部，然后轻轻对角线拧紧四个螺丝（图4D）。
   4. 使用直径为 24 毫米的硬锋线 （图 4E）在 O 环中戳两个孔，穿过顶部环上的两个塑料部分通道 （图 4F）。
   5. 将Ag线和Pt线插入O环上的孔中，并将Pt线弯曲到EC样本单元中的圆圈，如 图4G所示。
   6. 要密封 EC 样品单元顶部，请将组装的 EC 样品单元压到 EC 样品单元底部，使 O 环完全接触玻璃盖（图 4H）。
   7. 将 EC 样品单元的顶部倒置，向下面对测试样品（或基板），以便弹簧加载的销（pogo 引脚）触摸示例表面，如 图 4I 和 图 4J所示。测试样品应覆盖 O 环，使 EC 样品细胞底部密封。
   8. 将 EC 样本单元底打开，用右长度螺钉（图4K）对角线拧紧。

3. 自动对焦-证券交易委员会的运作

1. 自动对焦和双能统计仪器的初始化
   1. 双击两个软件图标，以初始化 AFM 系统和双电位控制接口。
2. 加载证券交易委员会探头
   1. 准备ESD现场服务包，包括防静电垫、静电放电（ESD）保护探针支架、可穿戴防静电手套和腕带（图5A）。图 5B显示了 ESD 监视器与腕带的连接。
      注意:当红垫与地面连接时，ESD 监视器发出蜂鸣声。当用户佩戴腕带时，蜂鸣声会停止。
   2. 为防止 AFM 扫描仪接触液体，请在 AFM-SECM 测试期间使用保护靴 （图 6A）。将探针架放在 ESD 保护探针支架上 （图 6B）。使用一对塑料钳子将保护靴连接到提示支架（图 6C）。然后，将保护靴中的小切口与 图 6D中所示的探针支架的缺口对齐。
   3. 使用尖钳（绿色）打开自动对焦-SECM探头（图7A）的盒子，从凹槽的两侧（图7B）抓住探头。使用磁盘夹持器（银色）将探针架固定在支架上时，将探针导线放入支架的孔中，然后将探针滑入探针支架的插槽（图 7C）。探头在插槽内后，使用钳子的平端将其推入。确保探头完全位于提示架中（图7D）。
   4. 如图 8A所示，将整个探头支架（包括支架启动）连接到扫描仪上。
   5. 使用特氟隆尖钳子抓住铜环下方的电线，并将其连接到模块（图 8B）。
   6. 将扫描仪放回鸽尾。
3. 加载示例单元
   1. 将测试样品（或基板）组装到 EC 样本单元中后（第 2.4 节中提到），将 EC 样品单元放在 SECM 夹头和伪参考电极 （Ag 线）的中心点上，并将反电极 （Pt 线）连接到弹簧连接器块 （图 3）。EC样本单元具有磁性地连接到夹头上。
4. 成像前证券交易委员会软件准备
   1. 在 AFM-SECM 软件中，选择 SECM- 峰值强制 QNM 来加载工作空间（图 S2）。
   2. 在 设置中，加载 SECM 探头，然后使用对齐站对齐尖端上的激光。
   3. 转到 导航 （图S3）。将扫描仪向下缓慢移动，以聚焦在样品表面。稍微调整 EC 样品单元的位置，以确保扫描仪在移动时不会触摸 EC 样品单元的玻璃盖。聚焦样本后，单击 "更新盲接合位置"。
      注意:不同的样品具有不同的高度，因此在更改样品后必须更新盲接位置。
   4. 单击 移动以添加流体位置。
   5. 将缓冲液的 ~1.8 mL 添加到 EC 示例单元中，以确保溶液水平低于玻璃盖。如果水位超过玻璃盖，水会爬到扫描仪上，导致电短，并破坏扫描仪。再等 5 分钟，使用移液器搅拌溶液以去除气泡。
      注意:预制后应将缓冲液 （10 mM [Ru （NH₃）₆]³⁺ 支持电解质 0.1 M KCl） 存储在冰箱中。使用带过滤器的注射器（不超过 1μm 孔径大小）在使用之前过滤溶液。
   6. 单击 移动到盲参与位置。提示将返回到缓冲区解决方案。稍微调整激光，以确保激光对齐尖端。
   7. 打开CHI软件。如 图S4所示，单击工具栏上的 技术 命令以打开技术选择器并选择 "开放电路潜力-时间"。使用默认设置（运行时间为 400 s）进行 OCP 测量并运行 OCP 测量。
      注意:OCP 测试中显示的潜在应接近零稳定。
   8. 再次单击 技术 命令并运行 环形伏特测量 （CV），如 图 S5 和图 S6所示。
      注意:将参数设置为下文。如果需要，将"扫描段"设置为更多。"init E/最终 E"应与 OCP 测量的潜在值相同，"高 E"和"低 E"可能分别为 +0.3 V 或− 0.3 V 的"init E/最终 E"。在这里，我们使用0 V作为初始和高E和-0.4 V作为低和最终E。扫描率为 0.05 V/s，灵敏度为 1 e-009。运行简历测试，此处测量的最高电流 （i） 应为 0.3-1.2 nA，为 10 mM [Ru （NH_3]6=³⁺。
5. 证券交易委员会成像
   1. 返回到自动对焦软件。由于提示已在液体中，请单击 "参与"。
   2. 扫描后，打开提升模式（按传感器提升），提升高度为 100 nm，并根据样品粗糙度调整升降高度。
   3. 在 CHI 软件中，运行带有 图 S7中显示的参数的计时计时法。将初始 E 设置为 -0.4 V，脉冲宽度为 1000 秒（这是系统接受的最大数字），与 CV 扫描的灵敏度相同。
      注:选择计时测量技术是因为在呈现的双电位统计中缺乏安培i-t技术。
   4. 随着 CHI 程序的运行，返回到 AFM-SECM 软件，检查条形图上的实时读数，然后单击 "开始 "（图 S8）。读数将实时更新。然后地形成像和当前成像过程都将开始。在自动对焦软件中保存图像。
6. 检查方法曲线
   1. 在扫描尺寸为 1μm 的样品或基板区域上接合尖端。
   2. 运行 3.5.3 中提到的 计时计时 法。
   3. 返回到自动对焦-秒软件并选择命令 转到斜坡。
   4. 单击 "斜坡"。方法曲线将记录在自动对焦-证券交易委员会软件中。
7. 提示清洁
   1. 使用EC样品单元作为清洁水容器。使用导航面板中的盲接合功能将提示移入和移出液体。换干净的水三次。经过三次清洁后，使用干净的湿巾小心地从探针架上取出残留的水，并将探针放回探针盒中。
      注意:成像后，需要仔细清洁 AFM-SECM 探头。切勿使用从洗涤瓶中取出的水清洁探头，因为静电电荷可能会损坏探头。

结果

AFM-SECM 的国家统计局的地形和当前成像

先前的研究，特点的NBs与AFM只报告地形图像，以揭示大小和分布的NBs固定在固体基材^56，57。这里的实验揭示了形态学和电化学信息。单个氧气纳米泡 （ONB） 可以在图 9中明确识别，图 9 提供了地形以及尖端电流映射或信息。尖电流是由 [Ru （NH_3]6 ]

讨论

本协议中描述了一种支持高分辨率多式联运成像的 AFM-SECM 组合技术。该技术允许地形图与收集或映射在单个纳米粒子或纳米泡上的 SECM 电流同时映射。实验是使用商业探针进行的。这些探针旨在提供化学兼容性与广泛的电化学环境，电化学性能，机械稳定性和多周期处理^18。然而，AFM-SECM探测器的稳定性和耐用性对于可靠和高分辨率的电化学信息的测量至关重要。因此，步骤 3.2 ...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Atomic force microsopy	Bruker, CA	Dimenison Icon
Bipotentiostat	CH Instruments, Inc.	CHI 700E
Materials
Silicon wafer	TED PELLA, Inc.	16013
Fresh gold plates	Bruker, CA	model 119-017-307
PF-SECM-AFM probes	Bruker, CA	990-050138
PF-SECM strain-release module	Bruker, CA	840-012-724
PF-SECM Probe Holder	Bruker, CA	900-050121
PF-SECM Chuck	Bruker, CA	PF-SECM Chuck
PF-SECM O-ring	Bruker, CA	598-000-106
PF-SECM cover glass, SECM Cell	Bruker, CA	900-050137
EC Cell Assy	Bruker, CA	932-017-300
ESD Field Service	Bruker, CA	490-000-066
PF-SECM Boot	Bruker, CA	900-050136
Spring connector block	Bruker, CA	900-050524
PFSECM Tweezers	Bruker, CA
Cable, SECM Tip module	Bruker, CA	468-050171
Ag wire	Bruker, CA	249-000-056
Pt wire	Bruker, CA	248-000-004
Hard sharp wire	Bruker, CA	TT-ECM10
Tubular ceramic membrane	Refracton	WFA0.1
Chemicals
Copper(II) chloride dihydrate	ACROS Organics	AC315281000
Sodium Hydroxide	Fisher Chemical	S318-100
Ascorbic Acid	Fisher Chemical	A61-25
Epoxy	Loctite	Instant Mix
Potassium Chloride	Fisher Chemical	P217-500
Hexaammineruthenium(III) chloride	ACROS Organics	AC363342500