Microscopie électronique à Transmission liquide-cellule suivi auto-assemblage des nanoparticules
Summary
Ici, nous introduisons des protocoles expérimentaux pour l’observation en temps réel d’un processus d’auto-assemblage à l’aide de la microscopie électronique à transmission liquide-cellule.
Abstract
Séchage une dispersion des nanoparticules est un moyen souple de créer des structures de nanoparticules auto-assemblés, mais le mécanisme de ce processus n’est pas entièrement compris. Nous avons retracé les trajectoires des nanoparticules individuels au microscope électronique à transmission liquide-cellule (TEM) pour examiner le mécanisme de la procédure de l’Assemblée. Ici, nous présentons les protocoles utilisés pour l’étude TEM liquide-cellule de l’auto-assemblage de mécanisme. Tout d’abord, nous présentons les détail des protocoles synthétiques utilisés pour produire uniformément taille platine et nanoparticules de séléniure de plomb. Ensuite, nous présentons les procédés de microfabrication utilisés pour produire des cellules avec le nitrure de silicium ou windows silicium liquides et ensuite décrire le chargement et les procédures de la technique TEM liquide-cellule d’imagerie. Plusieurs notes sont incluses pour fournir des conseils utiles pour l’ensemble du processus, y compris la façon de gérer les fenêtres de la cellule fragile. Les mouvements individuels des nanoparticules suivis par liquide-cellule TEM a révélé que dans les limites de solvants causées par l’évaporation la tempéature le processus d’auto-assemblage des nanoparticules. Les limites de solvants conduit nanoparticules pour principalement former des agrégats amorphes, suivies d’aplatissement des agrégats pour produire une structure auto-assemblées de 2 Dimensions (2D). Ces comportements sont également observées pour les nanoparticules différents types et différentes compositions de liquide-cellules.
Introduction
L’auto-assemblage des nanoparticules colloïdales est intéressant car il offre la possibilité d’accéder aux propriétés physiques collectives de nanoparticules individuels11. Une des méthodes plus efficaces d’auto-assemblage utilisés dans des applications pratiques à l’échelle du dispositif est l’auto-organisation des nanoparticules sur un substrat par évaporation d’un solvant volatil6,7,,8, 9 , 10 , 11. cette méthode d’évaporation des solvants est un processus de non-équilibre, qui est largement influencé par des facteurs cinétiques telles que le taux d’évaporation et de changements dans les interactions de nanoparticules-substrat. Toutefois, comme il est difficile d’estimer et de contrôler les facteurs cinétiques, l’interprétation mécaniste de nanoparticule autoassemblage par évaporation des solvants n’est pas encore atteint la maturité. Bien que in situ études de diffusion des rayons x ont fourni des informations moyennes sur l’ensemble du non-équilibre NANOPARTICULE auto-assemblage au processus de12,13,14, cette technique ne peut déterminer le mouvement des nanoparticules individuels, et leur association avec la trajectoire globale n’est pas facilement accessible.
Liquide-cellule TEM est un outil émergent pour suivre la trajectoire des nanoparticules individuels, ce qui nous permet de comprendre l’inhomogénéité des mouvements des nanoparticules et leur contribution à l’ensemble des comportements15,16, 17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26. Nous avons précédemment utilisé liquide-cellule TEM pour suivre le mouvement des nanoparticules individuels au cours de l’évaporation des solvants, montrant que le mouvement de la limite de solvant est une force motrice majeure pour induire des nanoparticules auto-assemblage sur un substrat18 , 19. dans les présentes, nous introduisons des expériences où on peut observer le processus d’auto-assemblage à l’aide de liquide-cellule TEM de nanoparticules. Tout d’abord, nous fournir des protocoles pour la synthèse de platine et entraîner des nanoparticules de séléniure, avant d’introduire les procédures de fabrication des liquides-cellules TEM et comment charger des nanoparticules dans la liquide-cellule. Comme résultats représentatifs, nous montrons les clichés des films TEM de nanoparticule auto-assemblage pilotée par solvant de séchage. Grâce au suivi des particules individuelles dans ces films, nous pouvons comprendre les mécanismes détaillés de solvant-séchage-mediated auto-assemblage à un niveau de nanoparticule unique. Pendant l’auto-assemblage, les nanoparticules de platine sur la fenêtre de nitrure de silicium principalement suivent le mouvement du front du solvant s’évaporant en raison de la fortes capillaires forces agissant sur la mince couche de solvant. Des phénomènes similaires ont aussi été observés pour d’autres nanoparticules (séléniure de plomb) et les substrats (silicium), indiquant que la force capillaire du front du solvant est un facteur important dans la migration de particules près d’un substrat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nanoparticules de platine avec une taille de 7 nm ont été synthétisé par le biais de la réduction de diammonium d’ammonium (IV) et d’ammonium tetrachloroplatinate (II) à l’aide de poly (vinylpyrrolidone) (PVP) comme ligand et l’éthylène glycol comme un solvant et un agent réducteur27 . Une réaction d’échange de ligand avec oleylamine a été réalisée afin de disperser les particules dans un solvant hydrophobe. Nanoparticules de séléniure de plomb ont été synthétisés pa…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions Prof. A. Paul Alivisatos à l’Université de Californie à Berkeley et Taeghwan Hyeon professeur à l’Université nationale de Séoul pour la discussion utile. Ce travail a été soutenu par IBS-R006-D1. W.C.L. exprime sa gratitude au Fonds de recherche de l’Université de Hanyang (HY-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 |
Riferimenti
- 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).
