חושף תהליכים דינמיים של חומרים בנוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים סלולריים נוזלי

פתחנו תא עצמאי נוזלי, המאפשר הדמיה באמצעות נוזלים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים. תהליכים דינמיים של חלקיקים בנוזל יכולים להתגלות בזמן אמת עם רזולוצית המשנה ננומטר.

ההתפתחות האחרונה באתרו במיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים, המאפשר הדמיה באמצעות נוזלים עם רזולוציה מרחבית גבוהה, משכה אינטרסים משמעותיים על פני תחומי המחקר של מדע חומרים, פיסיקה, כימיה וביולוגיה. הטכנולוגיה המאפשרת מפתח הוא תא נוזלי. אנחנו לפברק תאים נוזליים עם חלונות צפייה הדקה באמצעות תהליך microfabrication רציף, כוללים תצהיר סיליקון ניטריד קרום, דפוסי photolithographic, תחריט רקיק, מליטה ניידת וכו 'תא נוזל עם הממדים של רשת TEM רגילה יכול להתאים בכל בעל מדגם TEM סטנדרטי . כ 100 פתרון תגובת nanoliters נטען למאגרים וכ 30 נוזל picoliters נשאב לתוך החלונות צופים בכוח נימים. כתוצאה מכך, התא אטום ונטען לתוך מיקרוסקופ להדמיה באתרו. בתוך TEM, אלומת האלקטרונים עוברת דרך שכבת הנוזל הדקה דחוקה בין שני קרומי סיליקון ניטריד. proc הדינמיהנון של חלקיקים בנוזל, כגון נוקלאציה וצמיחה של nanocrystals, דיפוזיה והרכבה של חלקיקים, וכו ', כבר צלם בזמן אמת עם רזולוציה ננומטר. גם יש לנו ליישם שיטה זו לאזורים אחרים במחקר, למשל, חלבוני הדמיה במים. TEM תא הנוזלי צפוי לשחק תפקיד מרכזי בחשיפת תהליכים דינמיים של חומרים בסביבת העבודה שלהם. הוא גם יביא השפעה גבוהה במחקר של תהליכים ביולוגיים בסביבה הטבעית שלהם.

המחקר של תגובות כימיות בנוזלים בזמן אמת וחומרי הדמיה ביולוגיים בסביבה הטבעית שלהם היה אינטרסים משמעותיים על פני תחומי המחקר ^1-5. בשל רזולוציה מרחבית הגבוהה של מיקרוסקופיה אלקטרוני הילוכים (TEM), הדמיה באמצעות נוזלים באמצעות TEM משך הרבה תשומת לב ^4,5. עם זאת, זה כבר אתגר גדול לדגימות נוזלות תמונה באמצעות TEM, מאז מיקרוסקופ הקונבנציונלי מופעל בסביבת ואקום גבוהה. בנוסף, דגימות נוזל צריכות להיות דק מספיק כדי לאפשר לקרן האלקטרונים לעבור. וויליאמסון ואח'. ⁶ דיווח כי הדמיה של תצהיר אלקטרוכימי של Cu ניתן להשיג עם רזולוצית 5 ננומטר באמצעות תא אלקטרוכימי נוזל פעל בTEM. דה יונגה et al. ¹ היה מסוגלת דגימות ביולוגיות תמונה דרך מים עבים מיקרומטר serveral באמצעות סריקת TEM (S). ניגודיות הנמוכה של הדגימות הביולוגיות לא הייתהגדל כנושא מאז חלקיקי זהב שמשו כסמנים להדמיה. דגימת הנוזל הסמיכה לא הייתה בעיה אחת מאז מצב הדמית הגזע שמש ורזולוצית ננומטר הושגה. לאחרונה פתחנו תא עצמאי נוזלי, המאפשר הדמית TEM זמן אמת של חלקיקי colloidal בנוזלים עם רזולוצית subnanometer ^5,7. תאים אלה פותחו לאחרונה נוזליים, המציעים רזולוציה משופרת והדמיה מהר TEM (30 פריימים לשניים, שלא הושג על ידי הדמיה ברזולוציה גבוהה STEM), אפשר ללמוד דינמיקת nanoparticle colloidal בנוזלים. התאים הנוזליים להשתלב בעל TEM סטנדרטי ויכולים להיות מופעלים כדגימות TEM רגילות. כמות קטנה של נוזל (כ 30 picoliters) ניתן לבדוק באתר תחת תגובה כימית מורחבת. שונות הדמיה ואנליטי (כלומר, אנרגיה נפיצה רנטגן ספקטרוסקופיה) טכניקות ניתן ליישם. מאז העובי הכולל של חלון התצוגה (כולל קרומיםושכבת הנוזל) ניתן לשלוט על 100 מייל ימי או מתחת, הדמיה ישירה של דגימות ביולוגיות (חלבונים כלומר) במים נוזליים ללא סמני nanoparticle זהב גם הושגה ^8.

בשני העשורים האחרונים, היו הישגים משמעותיים בסינתזות והיישומים של nanocrystals colloidal ^9-11. עם זאת, ההבנה של איך nucleate חלקיקים, לגדול ולתקשר אחד עם השני בנוזלים היא בעיקר אמפירית ובעיקר על בסיס אתרו לשעבר ניתוחי ^11-13. הפיתוח של TEM תא הנוזל מספק פלטפורמה ייחודית ללימוד התהליכים הדינמיים של חלקיקים בנוזל ^ב5,7,14,15 אתרו.

אנחנו לפברק תא נוזל עצמאי פרוסות סיליקון באמצעות אולטרה דקות (100 מיקרומטר) על ידי תהליך microfabrication רציף. הוא כולל תצהיר של קרום סיליקון ניטריד, דפוסי photolithographic, תחריט רקיק, בתצהיר spacer, ותאמליטה, כ 50 nanoliters וכו 'של פתרון התגובה נטענת למאגר, שנמשך אל תוך התא על ידי כוח נימים. אנחנו ממלאים את המאגר האחר עם 50 nanoliters נוסף של הנוזלים. כתוצאה מכך, התא אטום ונטען לתוך מיקרוסקופ להדמיה באתרו. בתוך מיקרוסקופ, הנוזלי דחוק בין שני קרומי סיליקון ניטריד (סה"כ כ 30 picoliters) ניתן לבדיקה. כאשר קרן האלקטרונים עוברת דרך שכבת הנוזל הדקה, תהליכים דינמיים של חלקיקים בנוזל יכולים להיות במעקב בזמן אמת. נוקלאציה וצמיחה של חלקיקים יכולים להיגרם על ידי קרן האלקטרונים שבמקרים מסוימים יכול להיות מופעל על ידי תגובות ^5,7 או מקור חימום חיצוני ^14,16. כאשר הניזק הוא קרן האלקטרונים של דאגה, קרן נוכחית אלקטרונים נמוכים (מינון) יש להשתמש.

מאחר ותאים נוזליים מיוצרים מתהליכי microfabrication סיליקון ובקבוצות גדולות, שינויים בקרום או בנוזלעובי נוזל בין תאים בודדים יכול להיות ^L6 smal. כל חוקר שיש לו הכשרת microfabrication בסיסית יכול לעשות בהצלחת תאים נוזליים. טכניקת הטיפול הנוזלית ובאתר TEM פעולה גם ניתן לשלוט אחרי אימון. יצוין, כי מלבד באמצעות ממברנות סיליקון ניטריד כמו חלונות להצגה, חומרים אחרים כגון דו תחמוצת סיליקון, סיליקון או פחמן (כולל גרפן) יכולים לשמש חלון הקרום כמו גם ^17-19. מאחר והתאים הנוזליים שלנו באמצעות צפיית חלונות קטנים, כלומר, 1 50 מיקרומטר x, לא בולטים של הקרומים נצפו. ו, תא הנוזל הוא גם חזק לתפעול, כלומר מתחת 1% מתאים נוזליים שברו חלונות במהלך הניסויים. בנוסף, עובי שכבת הנוזל יכול גם להיות מכוון על ידי שינוי אופן גמיש בעובי של spacer אינדיום הופקד. במהלך הכנת מדגם, תא נוזל אטום יכול לשמור על נוזלים במשך כמה ימים ללא דליפה. הכמות הקטנה של נוזל יכולהתיבחן במשך מספר שעות מתחת לקרן האלקטרונים, המאפשרת הלימוד של תגובה כימית מורחבת בזמן אמת.

עד כה, יש לנו תהליכים דמיינו ייחודיים רבים דינמיים של חלקיקים בנוזלים, למשל, צמיחה והתגבשות של חלקיקי Pt ^5,15, דיפוזיה של חלקיקים בנוזל דק ^20,21, תנודות צמיחה של חלקיקי Bi ^14, וצמיחה של ₃ Pt nanorods Fe מלוקי nanoparticle בניין ^7, וכו 'בנוסף, יש לנו גם ליישם שיטה זו לאזורים אחרים, למשל, חלבוני הדמיה במים נוזליים עם 2.7 ננומטר ברזולוציה ^8. לסיכום, טכניקת TEM תא הנוזל שלנו כבר הוכיחה שפיתוח יקר מאוד ללימוד מגוון רחב של סוגיות יסוד במדע חומרים, פיסיקה, כימיה וביולוגיה. אנו מאמינים שיש עדיין מקום גדול להתקדמות בעתיד טכני ויישומים של TEM הנוזלי וזה בהחלט יהיה סבלנות גבוההct בקשת רחבה של מחקר מדעי.

1. Microfabrication של תאים נוזליים

1. הכן את פרוסות סיליקון (עמ מסומם, 100 מיקרומטר בעובי ו 4 סנטימטרי קוטר) ולנקות את הוופלים באמצעות אמבטית רקיק סטנדרטית ניקיון הליך.
2. סרטי הפקדת מתח נמוך סיליקון ניטריד הדקים (20 ננומטר בעובי) בשני הצדדים של פרוסות סיליקון בתצהיר על ידי שיטת אדים כימיים בלחץ נמוך (LPCVD). מתכון פתח מותאם אישית משמש לתצהיר, המאפשר את הצמיחה של סיליקון ניטריד העשיר (חטא _x, x <4/3).
3. לפברק שבב התחתון (2.6 × 2.6 מ"מ, 3 מ"מ בקוטר) בחלון תצוגה (1 × 50 מיקרומטר) ושבב העליון (2.6 × 2.6 מ"מ, 3 מ"מ בקוטר) בחלון תצוגה (1 × 50 מיקרומטר) ושני מאגרים (0.6 × 1.2 × 0.1 מ"מ) על ידי ביצוע רצף של תהליכים סטנדרטיים ייצור, כוללים דפוסי photolithographic, תחריט פלזמה של קרום _x החטא (באמצעות ₆ SF כגז הפעיל), KOH הרטוב etchinגרם של פרוסות סיליקון החשופות, וכו 'אנו משתמשים בתהליך photolithographic הנפוץ ביותר, כגון ציפוי ספין של photoresist (photoresist החיובי עם מהירות סחיטה של ​​3000 סל"ד לדקות 1; עובי photoresist הוא בערך 1 מיקרומטר), חשיפה לקרינת UV תחת מסכת Cr של תאים בנוזל, דפוסי יתוגרפיות באמצעות מפתח ומסדר (מי deionized), וכו 'ישנן אפשרויות שונות של photoresist לציפוי ספין והמפתחת עבור דפוסים. וגם, את הפרמטרים המתאימים לתהליכים יכולים גם להשתנות. מאז התכונות של הדפוס גדולות יחסית (מאה מיקרומטר או גדול), התהליך הוא קל להיות מושלם. פתרון KOH הוא הוכן על ידי המסת כוח אשלגן לתוך מי deionized עם אשלגן: יחס משקל מים של 1:2. פתרון KOH נשמר ב 80 ° C בתחריט. שיעור תחריט של 1 מיקרומטר לדקות יכול להיות מושגת. קרום _x חטא הוא מסכת מגן אידיאלית לתחריט KOH של סיליקון. מאז etchinקווי g משמשים, שבבים בודדים מחוברים עם קווים דקים של רקיק חרוט לאחר תחריט KOH. חתיכות של שבבים ניתן להפריד בקלות מהרקיק באמצעות פינצטה חדה לתהליכים באים. אין תהליך חיתוך הוא זקוקים.
4. spacer ההפקדה אינדיום בצד השטוח של השבב התחתון. ראשית, לעשות דפוסי יתוגרפיות של שבבים על ידי ביצוע התהליך דומה ב1.3. כדי לסייע לטיפול בשבבים, מקל שבבים בודדים (יכול להיות חתיכת מספר שבבים) בגיליון זכוכית דקה באמצעות photoresist ולתת לו להתייבש באוויר במשך 5 דקות לפני ציפוי ספין החשיפה, UV, שני וכו ', לנקות את שבבי דוגמת ידי O ₂ פלזמת ניקיון ב50 ואט לדקות 1; סרט שלישי, הפקדת אינדיום דק עם העובי של 100 ננומטר על השבב באמצעות מאייד; תהליך שלישי, נסיקה מתבצע כדי לייצר spacer אינדיום.
5. ונד התחתון ושבבים מובילים יחד. אנו ליישר שני חלונות צופים סיליקון ניטריד של התחתית והשבבים המובילים ראשונים תחת microsco אופטיPE וליישם לחץ של כ -0.1 מגפ"ס באמצעות מהדק. זה דורש תרגול כדי דווקא כדי ליישר את חלונות על גבי כל אחד אחר. כתוצאה מכך, תאי נוזלים נאפים בתנור ואקום ב 120 מעלות צלזיוס במשך שעה 1. לבסוף, אנו אוספים את התאים ולאחסן את התאים שכהוכנו בייבוש ואקום לשימוש עתידי.

תהליך הייצור כולו מוצג באיור 1. אנו מנהלים את כל תהליכי הייצור במעבדת Nanofabrication מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי.

2. הכנה של פתרוני Reaction

אנחנו מכינים את פתרוני התגובה לnanorods הצמיחה Pt ₃ Fe כדוגמה. פלטינום (השני) acetylacetonate (20 מ"ג / מ"ל) והברזל (השני) acetylacetonate (20 מ"ג / מ"ל) היו מומסים בתערובת ממס של pentadecane וoleylamine (07:03 כרך / כרך) או תערובת של pentadecane, oleylamine, ו חומצה אולאית (06:03:01 כרך / כרך / כרך) משמשת להשוואה של surfactanהשפעות לא.

3. טען פתרוני Reaction

1. nl כ 50 של פתרון תגובה נטען לאחד מהמאגרים בתא נוזלי באמצעות צינורות טפלון (שנרכש מקולמן לבן זוג, אילינוי) ומזרק. ואז, המאגר האחר מתמלא באותו אופן.
2. כ 30 pl של פתרון התגובה נשאב אל תוך התא על ידי כוח נימים ויוצר שכבת נוזל (~ 100 ננומטר) דחוקה בין שני קרומי סיליקון ניטריד בחלון הצפייה.
3. תא הנוזל הוא חתום לאחר מכן באמצעות כיסוי נחושת דקה (~ 50 רשת TEM מיקרומטר עם חור בודד חריץ 0.6 מ"מ קוטר, שנרכש מTedd פלה, Inc). גריז האבק החל ב-צד אחד של המכסה ואפוקסי שמש לאטום את קצה התא הנוזלי. העובי הכולל של תא הנוזל הסופי הוא כ 250-300 מיקרומטר.

4. טען תאים נוזליים לתוך TEM

1. 3010 TEM JEOL פעל ב 300 קילו וולט ופיי monochromated F20 UT Tecהנאים פעל ב 200 קילו וולט משמשים להדמיה באתרו.
2. תא הנוזל נטען למיקרוסקופ כמדגם TEM סטנדרטי להדמיה.

5. זמן אמת הדמית TEM

1. לכוון מיקרוסקופ למצב מושלם ברזולוציה גבוהה TEM הדמיה, וצפיפות זרם קרן של 1-8 × 10 ⁵ / מ ² נשמר בהדמיה בזמן אמת.
2. למערכת PTFE, נוקלאציה וצמיחה של החלקיקים יכולים להיות יזם תוך הטלת אלומת האלקטרונים בשכבת הנוזל.
3. תוכנת VirtualDub בשילוב עם תוכנת DigitalMicrograph Gatan מנוצלת כדי להקליט את דינמיקת nanoparticle.

באמצעות שיטת TEM תא נוזל, יש לנו בעיני רווח את פתרון הצמיחה של ₃ nanorods Pt Fe מאבני בניין nanoparticle. תרשים 2 מציג תמונות רציפות המתארות את מסלול הצמיחה של ₃ Pt פה nanorod בתנאי פתרון אחרים. תהליך צביעה כוזב באמצעות פוטושופ הועסק כדי להדגיש את החלקיקים.

כאשר תערובת הממס של pentadecane וoleylamine (07:03 כרך / כרך) הייתה בשימוש, בשלושה שלבים שונים של צמיחה יכולים להיות מזוהים (איור 2 א). ראשית, חלקיקים קטנים רבים נוצרים כאשר מבשרי Pt ופה הם מופחתים על ידי הקרנת קרן אלקטרונים. חלקם יגדלו בקובץ מצורף מונומר; אחרים לעבור גיבוש. שנית, רשתות nanoparticle קצרות נוצרות דרך אינטראקציות nanopaticle. שלישית, כשרשרות שעוצבו הקצרות החלקיקים מתנהגות כאבני בניין ליצירת שרשרות ארוכות ומפותלים יחסית nanoparticle. כאשר תערובת של pentadecane, oleylamine, וחומצה אולאית (06:03:01 כרך / כרך / כרך) היה בשימוש, שרשרות nanoparticle מפותלים נוצרות ראשון, ולאחר מכן את שרשרות nanoparticle ליישר וליצור nanorods חד גבישים בתוך פרק זמן קצר (איור 2 ב ').

לסיכום, יש לנו הראינו ההיווצרות של nanorods גביש היחיד באמצעות הצמיחה של פירוק שרשרות nanoparticle polycrystalline מעיקול צורה מכוונת nanoparticle אחרי תיקוני החלקה, ההתמצאות וצורה של אובניים הבניין. סטטיסטיקה וכימות של דינמיקת nanoparticle מההדמיה בזמן אמת הן בעלי חשיבות רבה להבנה והשליטה של צמיחה היררכית ננו והרכבה עצמית למכשירים פונקציונליים ^7.

איור 1. חזקה של תהליך microfabrication של תאים נוזליים. (אני) ממברנות סיליקון ניטריד הפקדה בשני הצדדים של פרוסות סיליקון; (השני) לפברק את החלון והמאגרים של דפוסים ותחריט photolithographic צפייה; (ג) ההפקדה spacer אינדיום בצד השטוח של השבב התחתון; ונד (IV) שבבים תחתונים ועליונים יחד עם מהדק.

איור 2. הצמיחה של ₃ nanorods Pt Fe בתא נוזל במהלך החשיפה לקרן אלקטרונים. () תמונות TEM עקב מראות אבולוציה מנוקלאציה הצמיחה הראשונית בפתרון המבשר המולקולרי לשלב מאוחר יותר של היווצרות nanowire על ידי התקשרות nanoparticle צורה מכוונת. תערובת של ממס pentadecane וoleylamine (07:03 כרך / כרך) הייתה בשימוש. (B) כינונה של מעווה Pt ₃ פה nanorods ותהליך היישור שלאחר מכן. () תמונות TEM רצופות של הצמיחה של ₃ Pt פה nanorod קצר. (ב) תמונות TEM עקב מראות צמיחה של ₃ Pt פה nanorod ארוך. תערובת של ממס pentadecane, oleylamine, וחומצה אולאית (06:03:01 כרך / כרך / כרך) הייתה בשימוש. בשניהם () ו (ב), שעה מוצגת כדקות: שניות, ובפעם הראשונה היא שרירותית ^7.

כל תהליכי הייצור נעשו בחדר הנקי, שבו התקני מוליכים למחצה הם עשו.

לפני התצהיר של אינדיום, O ₂ ניקוי פלזמה של השבבים הוא הכרחי כדי לחסל את השאריות אורגניות על פני השטח. לפיכך, spacer אינדיום איכות גבוהה יכול להיות מושגת, אשר יכול לשפר את המליטה של ​​שבבים עליונים ותחתונים והתשואה של תאים נוזליים חינם זליגה.

סיליקון ניטריד צפיית חלונות עם קרום ultrathin של כ 13 ננומטר עבה הוא מפתח להשגת רזולוציה מרחבית גבוהה. בעת טיפול בתאים נזילים כאמורים, טיפול מיוחד נדרש על מנת למנוע שבירת הקרום במהלך ייצור, כמו גם ניסויים. לדוגמה, פינצטה, עם חזית שטוחה מומלצת. וכן, במהלך תהליך ניקוי קרום כוח, נמוך ומינון של O ₂ פלזמה יכולה להיות משולב (כלומר, 30 וולט ל20-30 שניות). מאז קינטיקה צמיחה יכולה להיות תלויה מאוד בקרן האלקטרונים currenצפיפות לא, שמירה על אותה צפיפות זרם אלומת אלקטרונים תוך הדמיה היא חשובה. שיטת TEM התא הנוזלית מאפשרת לא רק את המחקר של דינמיקת צמיחה של nanocrystals בפתרון בזמן אמת, אלא גם מאפשרת לחשוף תהליכים דינמיים אחרים (כלומר, דיפוזיה של חלקיקים בנוזלים, דינמיקת רביב נוזלית, וכו '). בנוסף, הוא מספק מסלול מבטיח לדמיין תהליכים ביולוגיים בסביבה המקומית.

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

ג'נג מודה פרופ 'א' ופול Alivisatos ד"ר אולריך Dahmen לדיונים מועילים במהלך ההתפתחות המוקדמת של תאי EM נוזליים. היא מודה לתמיכה של DOE Office של תכנית מחקר בתחילת קריירה מדעית.