במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים נוזלי-תא לצורך מעקב הרכבה עצמית של חלקיקים
Summary
כאן אנו מציגים את הפרוטוקולים ניסיוני עבור הצפיה בזמן אמת תהליך הרכבה עצמית באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים תאים נוזל שידור.
Abstract
ייבוש של פיזור ננו-חלקיק הוא תכליתי דרך ליצור מבנים מורכבים עצמית של חלקיקים, אך המנגנון של תהליך זה אינו מובן במלואו. . איתרנו את מסלולים של חלקיקים בודדים באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים תאים נוזל שידור (TEM) לחקור את המנגנון של תהליך ההרכבה במסמך זה, אנו מציגים בפרוטוקולים המשמשים ללימודים TEM נוזלי-cell של מנגנון הרכבה עצמית. ראשית, אנחנו מציגים את הפרוטוקולים סינתטי מפורט נהגה לייצר פלטינה ושקעים בגודל ולהוביל selenide חלקיקים. בשלב הבא, אנו מציגים את תהליכי מיקרו-מלאכותית בשימוש לייצר תאים נוזלי עם סיליקון ניטריד או חלונות סיליקון, ואז לתאר ההעמסה והדמיה הליכים של הטכניקה TEM נוזלי-תא. מספר הערות כלולים לספק עצות מועילות על התהליך כולו, כולל כיצד לנהל את החלונות תא שביר. הרמזים בודדים של חלקיקים מסומנים על ידי נוזל-תא TEM חשף כי שינויי גבולות הממס הנגרמת על ידי אידוי מושפע תהליך הרכבה עצמית של חלקיקים. הגבולות הממס נסענו חלקיקים בעיקר טופס אמורפי אגרגטים, ואחריו שיטוח של מצרפי כדי לייצר מבנה עצמית שהורכב 2-מימד (2D). התנהגויות אלו הם נצפו גם עבור סוגים שונים nanoparticle ויצירות נוזלי תאים שונים.
Introduction
הרכבה עצמית של חלקיקים colloidal הוא עניין כי היא מספקת הזדמנות גישה למאפיינים הפיזיים קולקטיבית של חלקיקים בודדים11. אחת השיטות הכי יעילות של הרכבה עצמית שימוש ביישומים מעשיים המכשיר בקנה מידה היא ארגון עצמי של חלקיקים על מצע התאדות של7,ממס נדיף6,8, 9 , 10 , 11. שיטת אידוי הממס הזה הוא תהליך בקירוב, אשר הושפעה קינטי גורמים כגון קצב אידוי ושינויים באינטראקציות ננו-חלקיק-המצע. עם זאת, מכיוון שקשה יותר להעריך ולשלוט הגורמים קינטי, להבנת מכניסטית nanoparticle הרכבה עצמית על ידי אידוי הממס אינה לבגרות מלאה. למרות בחיי עיר רנטגן פיזור מחקרים סיפקו מידע בממוצע-אנסמבל של בקירוב ננו-חלקיק תהליך הרכבה עצמית12,13,14, טכניקה זו יכולה לקבוע את התנועה של חלקיקים בודדים, לא ניתן לגשת בקלות שיוכן המסלול הכללי.
נוזל התא TEM הוא כלי המתעוררים למעקב אחר המסלול של חלקיקים בודדים, המאפשרת לנו להבין את inhomogeneity של ננו-חלקיק תנועות ותרומתם אנסמבל התנהגויות15,16, 17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26. השתמשנו בעבר נוזלי-תא TEM כדי לעקוב אחר התנועה של חלקיקים בודדים במהלך אידוי הממס, מראה כי התנועה של הגבול ממס הוא הכוח המניע העיקרי עבור גרימת nanoparticle הרכבה עצמית על המצע18 , 19. במסמך זה, אנו מציגים את הניסויים בה נוכל לצפות את התהליך של ננו-חלקיק הרכבה עצמית באמצעות נוזלי-תא TEM. ראשית, אנו מספקים פרוטוקולים לסינתזה של פלטינה ולהוביל selenide חלקיקים, לפני היכרות עם תהליכי ייצור נוזל-תאים עבור TEM כיצד לטעון חלקיקים לתוך התא לנוזל. בתור נציג תוצאות, אנו מראים תמונה תמונות מסרטים TEM של ננו-חלקיק הרכבה עצמית מונעת על ידי ייבוש החומר הממיס. על ידי מעקב אחר חלקיקים בודדים בסרטים אלה, אנו יכולים להבין את המנגנונים מפורט של הממס ייבוש-בתיווך הרכבה עצמית ברמה ננו-חלקיק יחיד. במהלך הרכבה עצמית, חלקיקים פלטינה על החלון ניטריד סיליקון בעיקר לעקוב אחר התנועה של חזית הממס אידוי בגלל כוחות נימי חזקה על הממס לשכבה דקה. תופעות דומות נצפו גם עבור אחרים חלקיקים (עופרת selenide), מצעים (סיליקון), המציין כי הכוח נימי של חזית הממס הוא גורם חשוב בהעברה של חלקיקים ליד מצע.
Protocol
Representative Results
Discussion
פלטינה חלקיקים בגודל של 7 nm היו מסונתז באמצעות צמצום אמוניום hexachloroplatinate (IV) ו- tetrachloroplatinate אמוניום (II) באמצעות פוליפוני (vinylpyrrolidone) (PVP) ליגנד, אתילן גליקול הממס, סוכן צמצום27 . תגובת ליגנד-exchange עם oleylamine בוצעה כדי לפזר את החלקיקים הממס הידרופובי. עופרת selenide חלקיקים היו מסונתז באמצעות …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים Alivisatos פול א פרופסור ב אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, ג’ו היון Taeghwan פרופסור באוניברסיטה הלאומית בסיאול על הדיון מועיל. עבודה זו נתמכה על ידי IBS-R006-D1. W.C.L. מאשר בתודה תמיכה של קרן המחקר של אוניברסיטת הן-ינג (היי-2015-N).
Materials
| ammonium hexachloroplatinate (IV) | Sigma-Aldrich | 204021 | |
| ammonium tetrachloroplatinate (II) | Sigma-Aldrich | 206105 | |
| tetramethylammonium bromide, 98% | Sigma-Aldrich | 195758 | |
| poly(vinylpyrrolidone) powder | Sigma-Aldrich | 234257 | Mw ~29,000 |
| ethylene glycol, anhydrous, 99.8% | Sigma-Aldrich | 324558 | |
| n-hexane, anhydrous, 95% | Samchun Chem. | H0114 | |
| ethanol, anhydrous, 99.5% | Sigma-Aldrich | 459836 | |
| oleylamine, 70% | Sigma-Aldrich | O7805 | Technical grade |
| lead(II) acetate trihydrate, 99.99% | Sigma-Aldrich | 467863 | |
| oleic acid, 90% | Sigma-Aldrich | 364525 | Technical grade |
| diphenyl ether, 99% | Sigma-Aldrich | P24101 | ReagentPlus |
| selenium powder, 99.99% | Sigma-Aldrich | 229865 | |
| tri-n-octylphosphine, 97% | Strem | 15-6655 | Air sensistive |
| Toluene, anhydrous, 99.9% | Samchun Chem. | T2419 | |
| acetone 99.8% | Daejung Chem. | 1009-2304 | |
| potassium hydroxide, 95% | Samchun Chem. | P0925 | |
| p-type silicon-on-insulator wafers | Soitec | Power-SOI | for liquid cells with silicon windows |
| tetramethylammonium hydroxide, 25% in H2O | J.T.Baker | 02-002-109 | |
| AZ 5214 E | AZ Electronic Materials | AZ 5214 E | Positive photorest |
| AZ-327 | AZ Electronic Materials | AZ-327 | AZ 5214 develper |
| indium pellets 99.98-99.99% | Kurt J. Lesker Company | EVMIN40EXEB | thermal evaporator target |
| 1,2-dichlorobenzene, >99% | TCI | D1116 | |
| pentadecane, >99% | Sigma-Aldrich | P3406 | |
| buffered oxide etch 7:1 | microchemicals | BOE 7-1 VLSI | |
| phosphoric acid, 85% | Samchun Chem. | P0449 |
References
- Shevchenko, E. V., Talapin, D. V., Kotov, N. A., O’Brien, S., Murray, C. B. Structural Diversity in Binary Nanoparticle Superlattices. Nature. 439, 55-59 (2006).
- Talapin, D. V., et al. Quasicrystalline Order in Self-Assembled Binary Nanoparticle Superlattices. Nature. 461, 964-967 (2009).
- Evers, W. H., Friedrich, H., Filion, L., Dijkstra, M., Vanmaekelbergh, D. Observation of a Ternary Nanocrystal Superlattice and Its Structural Characterization by Electron Tomography. Angew. Chem., Int. Ed. 48, 9655-9657 (2009).
- Maillard, M., Motte, L., Pileni, M. P. Rings and Hexagons Made of Nanocrystals. Adv. Mater. 13, 200-204 (2001).
- Sztrum, C. G., Rabani, E. Out-of-Equilibrium Self-Assembly of Binary Mixtures of Nanoparticles. Adv. Mater. 18, 565-571 (2006).
- Han, W., Lin, Z. Learning From "coffee Rings": Ordered Structures Enabled by Controlled Evaporative Self-Assembly. Angew. Chem., Int. Ed. 51, 1534-1546 (2012).
- Bigioni, T. P., et al. Kinetically Driven Self Assembly of Highly Ordered Nanoparticle Monolayers. Nat. Mater. 5, 265-270 (2006).
- Govor, L. V., Reiter, G., Parisi, J., Bauer, G. H. Self-Assembled Nanoparticle Deposits Formed at the Contact Line of Evaporating Micrometer-Size Droplets. Phys. Rev. E. 69, 61609 (2004).
- Kletenik-Edelman, O., et al. Drying-Mediated Hierarchical Self-Assembly of Nanoparticles: A Dynamical Coarse-Grained Approach. J. Phys. Chem. C. 112, 4498-4506 (2008).
- Kletenik-Edelman, O., Sztrum-Vartash, C. G., Rabani, E. Coarse-Grained Lattice Models for Drying-Mediated Self-Assembly of Nanoparticles. J. Mater. Chem. 19, 2872-2876 (2009).
- Rabani, E., Reichman, D. R., Geissler, P. L., Brus, L. E. Drying-mediated self-assembly of nanoparticles. Nature. 426, 271-274 (2003).
- Loubat, A., et al. Growth and Self-Assembly of Ultrathin Au Nanowires into Expanded Hexagonal Superlattice Studied by in Situ SAXS. Langmuir. 30, 4005-4012 (2014).
- Connolly, S., Fullam, S., Korgel, B., Fitzmaurice, D. Time-Resolved Small-Angle X-Ray Scattering Studies of Nanocrystal Superlattice Self-Assembly. J. Am. Chem. Soc. 120, 2969-2970 (1998).
- Lu, C., Akey, A. J., Dahlman, C. J., Zhang, D., Herman, I. P. Resolving the Growth of 3D Colloidal Nanoparticle Superlattices by Real-Time Small-Angle X-Ray Scattering. J. Am. Chem. Soc. 134, 18732-18738 (2012).
- 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 Lett. 9, 2460-2465 (2009).
- Jungjohann, K. L., Bliznakov, S., Sutter, P. W., Stach, E. A., Sutter, E. A. In Situ Liquid Cell Electron Microscopy of the Solution Growth of Au-Pd Core-Shell Nanostructures. Nano Lett. 13, 2964-2970 (2013).
- Yuk, J. M., et al. High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science. 336, 61-64 (2012).
- Park, J., et al. Direct Observation of Nanoparticle Superlattice Formation by Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy. ACS Nano. 6, 2078-2085 (2012).
- Lee, W. C., Kim, B. H., Choi, S., Takeuchi, S., Park, J. Liquid Cell Electron Microscopy of Nanoparticle Self-Assembly Driven by Solvent Drying. J. Phys. Chem. Lett. 8, 647-654 (2017).
- Park, J., et al. 3D Structure of Individual Nanocrystals in Solution by Electron Microscopy. Science. 349, 290-295 (2015).
- Chee, S. W., Baraissov, Z., Loh, N. D., Matsudaira, P. T., Mirsaidov, U. Desorption-Mediated Motion of Nanoparticles at the Liquid-Solid Interface. J. Phys. Chem. C. 120, 20462-20470 (2016).
- Liu, Y., Lin, X. -. M., Sun, Y., Rajh, T. In Situ Visualization of Self-Assembly of Charged Gold Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 135, 3764-3767 (2013).
- Verch, A., Pfaff, M., de Jonge, N. Exceptionally Slow Movement of Gold Nanoparticles at a Solid/Liquid Interface Investigated by Scanning Transmission Electron Microscopy. Langmuir. 31, 6956-6964 (2015).
- Sutter, E., et al. In Situ Microscopy of the Self-Assembly of Branched Nanocrystals in Solution. Nat. Commun. 7, 11213 (2016).
- Niu, K. -. Y., Liao, H. -. G., Zheng, H. Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquid Using Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (70), e50122 (2012).
- Hermannsdörfer, J., de Jonge, N. Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (120), e54943 (2017).
- Tsung, C. K., et al. Sub-10 nm Platinum Nanocrystals with Size and Shape Control: Catalytic Study for Ethylene and Pyrrole Hydrogenation. J. Am. Chem. Soc. 131, 5816-5822 (2009).
- Cho, K. S., Talapin, D. V., Gaschler, W., Murray, C. B. Designing PbSe Nanowires and Nanorings through Oriented Attachment of Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 127, 7140-7147 (2005).
- Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Talapin, D. V., Alivisatos, A. P. Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals. J. Vis. Exp. (82), e50731 (2013).
- Woehl, T. J., et al. Experimental Procedures to Mitigate Electron Beam Induced Artifacts During in situ Fluid Imaging of Nanomaterials. Ultramicroscopy. 127, 53-63 (2013).
- Shin, D., et al. Growth Dynamics and Gas Transport Mechanism of Nanobubbles in Graphene Liquid Cells. Nat. Commun. 6, 6068 (2015).
