Выявление динамических процессов в жидкостях материалов с использованием жидкого сотовых просвечивающей электронной микроскопии

Резюме

Мы разработали автономный жидкость клетки, что позволяет изображений через жидкостей с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Динамические процессы наночастиц в жидкостях могут быть выявлены в режиме реального времени с суб-нанометровым разрешением.

Аннотация

Последнее развития на местах просвечивающей электронной микроскопии, которая позволяет изображений через жидкости с высоким пространственным разрешением, привлекла значительные интересы на исследования области материаловедения, физики, химии и биологии. Ключевой технологией является жидкостью клетки. Мы изготавливаем жидкость клеток с тонкими окна просмотра через последовательный процесс микротехнологий, в том числе мембраны из нитрида кремния осаждением, фотолитографический рисунка, травление пластин, сотовый связи, и т.д. жидкостная ячейка с размерами регулярной сетки TEM может поместиться в любой стандартный держатель образца ТЕА . Около 100 nanoliters реакционный раствор загружают в резервуары и около 30 пиколитра жидкость втягивается в просмотр окон капиллярных сил. Впоследствии, клетка запечатана и загружается в микроскоп на месте изображения. Внутри ТЕМ, пучок электронов проходит через тонкий слой жидкости между двумя мембранами нитрида кремния. Динамические процессыцессов наночастиц в жидкостях, таких как зарождение и рост нанокристаллов, распространение и сборки наночастиц и т.д., были отражаться в реальном времени с суб-нанометровым разрешением. Мы также применили этот метод в других областях исследований, например, изображения белков в воде. Жидкие камере ПЭК готова играть важную роль в выявлении динамических процессов материалов в рабочей среде. Он также может принести большое влияние в исследовании биологических процессов в их родной среде.

Введение

Изучение химических реакций в жидкостях в режиме реального времени и визуализации биологических материалов в их родной среде были значительные интересы всей области исследований ^1-5. В связи с высоким пространственным разрешением просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), работы с изображениями через жидкость с помощью ПЭМ привлекла большое внимание ^4,5. Тем не менее, это был большой вызов для изображения жидких образцов с помощью ПЭМ, так как обычный микроскоп работает в среде с высоким вакуумом. Кроме того, жидкие образцы должны быть достаточно тонким, чтобы пучок электронов, чтобы пройти. Уильямсон и др. ^6. Сообщили, что изображение электрохимического осаждения меди может быть достигнуто с 5 нм разрешение с помощью электрохимической ячейки жидкость работает в ПЭМ. Де Йонг и др. ^1. Удалось изображения биологических образцов через Serveral микрометра толстые воды с помощью сканирования (S) TEM. Низкая контрастность биологических образцов не былоподнят вопрос, поскольку наночастицы золота были использованы в качестве маркеров для визуализации. Толстого образца жидкость была не проблема, так как STEM режим съемки был использован и нанометровым разрешением была достигнута. Мы недавно разработали автономный жидкость клетки, которая позволяет в режиме реального времени изображение TEM коллоидных наночастиц в жидкостях с субнанометровой разрешение ^5,7. Эти вновь разработанных жидкость клеток, которые обеспечивают улучшенное разрешение и быстрее TEM изображения (30 кадра в секунду, что не был достигнут высокий изображений STEM разрешение), позволило изучить динамику коллоидных наночастиц в жидкостях. Жидкость клетки помещаются в стандартный держатель ТЕА и могут работать как обычные образцы ТЕА. Небольшим количеством жидкости (около 30 пиколитра) может быть рассмотрено на месте при расширенном химической реакции. Различные изображения и аналитической (т. е. энергии рентгеновской спектроскопии) методы могут быть применены. Поскольку общая толщина окно просмотра (в том числе мембрани слой жидкости) можно управлять до 100 нм или ниже, прямой визуализации биологических образцов (например, белков) в жидкой воде без золотых наночастиц маркеров был также достигнут ^8.

В последние два десятилетия произошли значительные достижения по синтезу и применению коллоидных нанокристаллов ^9-11. Тем не менее, понимание того, как наночастицы зарождаются, растут и взаимодействуют друг с другом в жидкости во многом эмпирические и в основном основаны на анализе ex-situ ^11-13. Наше развитие жидкость в камере ПЭК предоставляет уникальную платформу для изучения динамических процессов наночастиц в жидкостях на месте ^5,7,14,15.

Мы изготавливаем автономные ячейки с помощью жидкого ультратонких кремниевых пластинах (100 мкм) с помощью последовательного процесса микротехнологий. Она включает в себя осаждение мембраны из нитрида кремния, фотолитографический рисунка, травление пластины, прокладка осаждения, и клеточныесвязи и т.д. Около 50 nanoliters реакции раствор загружается в резервуар, который составляется в клетку капиллярных сил. Мы заполняем другой резервуар с еще 50 nanoliters жидкости. Впоследствии, клетка запечатана и загружается в микроскоп на месте изображения. Внутри микроскоп, жидкость зажатой между двумя нитрида кремния мембран (всего около 30 пиколитра) могут быть рассмотрены. Когда луч электронов проходит через тонкий слой жидкости, динамических процессов наночастиц в жидкостях можно отслеживать в режиме реального времени. Зарождение и рост наночастиц могут быть вызваны электронного пучка в некоторых случаях ^5,7 или реакции могут быть вызваны внешним источником тепла ^14,16. Когда электрон повреждения луч из озабоченность, низкий тока электронного пучка (доза) должна быть использована.

Так как жидкость клетки изготавливают из кремния процессов микротехнологий и в больших партиях, изменения в мембране или жидкихТолщина между отдельными клетками жидкость может быть маленький ^L6. Любой исследователь, который имеет базовую подготовку микротехнологий можно успешно сделать жидкость клетки. Жидкостной обработки и в эксплуатации месте TEM также может быть освоено после практики. Следует отметить, что помимо использования мембраны из нитрида кремния, как смотровые окна, другие материалы, такие как диоксид кремния, кремний или углерод (в том числе графена) может быть использован в качестве мембраны окна, а ^17-19. Так как наша жидкость клеток с использованием небольших окон просмотра, т.е. 1 х 50 мкм, не выпуклые мембраны не наблюдается. И, жидкость клетки также надежные в эксплуатации, т.е. менее 1% жидкого клетки разбитые окна во время экспериментов. Кроме того, толщина слоя жидкости можно также гибко настраивается путем изменения толщины осажденного индия прокладки. Во время подготовки проб, запечатанные ячейки жидкость может поддерживать жидкость в течение нескольких дней без утечки. Небольшое количество жидкости можетбыть рассмотрено в течение нескольких часов под пучком электронов, который позволяет изучать расширенную химической реакции в реальном времени.

До сих пор, у нас есть визуализировать множество уникальных динамических процессов наночастиц в жидкостях, например, роста и коалесценции наночастиц Pt ^5,15, диффузии наночастиц в жидкостях тонкие ^20,21, рост колебания Bi наночастиц ^14, и рост Pt ₃ Fe наностержни из наночастиц строительные блоки ^{7 и} т.д. Кроме того, мы также применили этот метод в других областях, например, визуализации белков в жидкой воде с 2,7 нм разрешение ^8. Таким образом, наш жидкостной камере ПЭК было доказано, чтобы быть очень ценным развития для изучения широкого спектра фундаментальных вопросов в области материаловедения, физики, химии и биологии. Мы считаем, что есть все еще большая комната для будущих технических достижений и применения жидкого TEM и это, безусловно, будет высокой ИТПМКТ по ​​широкому спектру научных исследований.

протокол

1. Микротехнологий жидких клетки

1. Подготовка кремниевых пластин (р-легированных, 100 мкм в толщину и 4 дюйма в диаметре) и очистить пластин с использованием стандартной ванной пластины процедуры очистки.
2. Депозит с низким уровнем стресса нитрида кремния тонких пленок (20 нм в толщину) по обе стороны пластины кремния с низким давлением химического осаждения паров (LPCVD) методом. Специально разработанных рецептов используют для осаждения, который позволяет роста богатого кремнием нитрида (SiN _{х, х} <4/3).
3. Изготовление нижней чип (2,6 × 2,6 мм, 3 мм в диаметре) с окном просмотра (1 × 50 мкм) и верхней чип (2,6 × 2,6 мм, 3 мм в диаметре) с окном просмотра (1 × 50 мкм) и двух резервуаров (0,6 × 1,2 × 0,1 мм), следуя последовательности стандартных процессов изготовления, в том числе фотолитографический рисунка, плазменного травления мембран SiN _х (с использованием SF ₆ в качестве активного газа), KOH мокрой etchinг подвергаются кремниевых пластин и т.д. Мы используем наиболее распространенный фотолитографического процесса, таких как спина покрытия фоторезиста (позитивный фоторезист со спином скоростью 3000 оборотов в минуту в течение 1 мин, толщина фоторезиста составляет примерно 1 мкм), УФ-облучения под маской Cr жидкой клетки, литографические паттерна использованием проявителя и закрепителя (деионизированная вода) и т.д. Существуют различные выборы фоторезиста для покрытия спина и разработчиков для формирования паттерна. И, соответствующие параметры для процессов, также может меняться. С особенностями модели являются относительно большие (сотни мкм или больше), процесс легко быть достигнуто. Раствор КОН готовят путем растворения гидроксида калия власти в деионизированной воде с гидроксидом калия: вода весовом соотношении 1:2. Раствора КОН поддерживается на уровне 80 ° C в процессе травления. Скорость травления 1 мкм в минуту может быть достигнута. SiN _х мембрана является идеальным защитную маску для KOH травления кремния. С etchinг линии используются, индивидуальные чипы, связанные с тонких линий травления пластин после травления KOH. Кусочки чипы могут быть легко отделен от подложки с помощью острых пинцет для последующих процессов. Нет перетасовки процесса не требуется.
4. Депозит индия прокладку на плоской стороне нижней чип. Во-первых, сделать литографических паттерна чипов после аналогичного процесса в 1,3. Чтобы помочь обращение с чипами, придерживаться отдельных чипов (может быть кусок из нескольких чипов) на тонкий лист стекла с использованием фоторезиста и пусть ему высохнуть на воздухе в течение 5 минут прежде, чем спина покрытия, ультрафиолетовое облучение и т.д. Во-вторых, очистить узорные чипов O ₂ плазменной очистки в 50 Вт в течение 1 мин; В-третьих, хранение индия тонкой пленки толщиной 100 нм на чип с помощью испарителя; В-третьих, старт процесса осуществляется для создания индия прокладки.
5. Бонд нижней и верхней чипы вместе. Мы сначала выравнивания двух нитрида кремния просмотра окна нижнего и верхнего чипов под оптическим microscoPE и применить давление около 0,1 МПа с помощью зажима. Это требует практики, чтобы точно выровнять окна друг на друга. Впоследствии, жидкости клетки, запеченная в вакуумной печи при температуре 120 ° С в течение 1 часа. Наконец, мы собираем клетки и хранить как подготовленные клетки в вакуум-эксикаторе для будущего использования.

Весь процесс изготовления показан на рисунке 1. Мы проводим все процессы производства на Nanofabrication лаборатории Университета Калифорнии, Беркли.

2. Подготовка реакционных растворов

Мы готовим реакция решения для роста Pt ₃ Fe наностержней в качестве примера. Платины (II) ацетилацетонат (20 мг / мл) и железа (II) ацетилацетонат (20 мг / мл) растворяют в смеси растворителей пентадекана и олеиламин (7:3 об / об) или смесь пентадекан, олеиламин, и олеиновой кислоты (6:03:01 об / об / об) используется для сравнения surfactanт эффекты.

3. Загрузите реакционных растворов

1. Около 50 NL реакции раствор загружается в одном из водохранилищ в жидкости клетки с помощью шприца и тефлон нанотрубок (приобретенный у Cole-Parmer, IL). Тогда, другой резервуар заполняется в том же порядке.
2. Около 30 мкл реакционного раствора всасывается в клетки капиллярных сил и образует слой жидкости (~ 100 нм), зажатый между двумя мембранами из нитрида кремния в окне просмотра.
3. Жидкость клетки впоследствии запечатан с помощью тонкой крышкой меди (~ 50 мкм ТЕА сетку с одним слотом 0,6 мм диаметр отверстия, который был приобретен у Tedd Пелла, Inc.) Вакуумная смазка была применена на одной стороне крышки и эпоксидной был использован для герметизации края жидкость клетки. Общая толщина конечного клеточной жидкости составляет около 250-300 мкм.

4. Загрузите жидких клеток в TEM

1. JEOL TEM 3010 работает на 300 кВ и FEI монохроматизированном F20 UT Tecнае работает на 200 кВ используется для визуализации на месте.
2. Жидкостная ячейка загружается в микроскоп качестве стандартного образца TEM для работы с изображениями.

5. Real Time TEM изображения

1. Настройте микроскоп идеальным условием высокой разрешающей способностью ТЕА, а плотность тока пучка из 1-8 × 10 ⁵ / м ² сохраняется в течение изображений в реальном времени.
2. Для системы PTFE, зарождения и роста наночастиц может быть начато путем литья электронного пучка на слой жидкости.
3. VirtualDub программное обеспечение в сочетании с программным обеспечением Gatan DigitalMicrograph используется для записи наночастиц динамику.

Результаты

С помощью метода жидкостной камере ПЭК, мы визуализировали решение росту Pt ₃ Fe наностержни из блоков наночастиц здания. Рисунке 2 показаны последовательные изображения изображающие траекторию роста из Pt ₃ Fe наностержней в различных условиях решение. Ложные процесс...

Обсуждение

Все процессы изготовления были сделаны в чистом помещении, где полупроводниковые приборы сделаны.

Перед нанесением индия, O ₂ плазменной очистки чипов, необходимых для устранения органических остатков на поверхности. Таким образом, высокое качество Spacer индия може...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
			Реагенты
Платины (II) ацетилацетонат	Aldrich	523038
Железа (II) ацетилацетонат	Aldrich	413402
пентадекана	Aldrich	P3406
олеиламин	Aldrich	O7805
олеиновой кислоты	Сигма	O4137
			Оборудование
TEM	JEOL	JEOL 3010
Монохроматизированном TEM	FEI	F20 UT Tecnai