Væske-celle transmissions elektronmikroskopi til sporing samlesæt af nanopartikler
Summary
Her har vi indføre eksperimentelle protokoller for real-time observation af et samlesæt proces ved hjælp af væske-celle transmissions elektronmikroskopi.
Abstract
Tørring en nanopartikel spredning er en alsidig måde at skabe selvsamlede strukturer af nanopartikler, men mekanismen i denne proces er ikke fuldt forstået. Vi har sporet baner af enkelte nanopartikler ved hjælp af væske-celle transmissions elektronmikroskopi (TEM) for at efterforske mekanismen af montage-processen. Heri, præsenterer vi de protokoller, der bruges til væske-celle TEM undersøgelser af den samlesæt mekanisme. Først, vi introducere de detaljerede syntetiske protokoller, der bruges til at producere ensartet størrelse platinum og føre selenide nanopartikler. Dernæst præsenterer vi de microfabrication processer, der anvendes til at producere flydende celler med silicon nitride eller silicium windows og derefter beskrive lastning og imaging procedurer af væske-celle TEM teknik. Flere noter er medtaget for at give nyttige tips for hele processen, herunder hvordan man skal håndtere de skrøbelige celle vinduer. De enkelte bevægelser af nanopartikler spores af væske-celle TEM afslørede, at ændringer i opløsningsmiddel grænser forårsaget af fordampning påvirket den samlesæt proces af nanopartikler. Opløsningsmiddel grænserne kørte nanopartikler til primært form amorf kreditmålene, efterfulgt af samkopiering af aggregater til at producere en 2-dimensional (2D) selvsamlede struktur. Disse adfærdsmønstre er også observeret til forskellige nanopartikel typer og forskellige væske-celle kompositioner.
Introduction
Den samlesæt af kolloid nanopartikler er af interesse, fordi det giver mulighed for at få adgang til kollektive fysiske egenskaber af enkelte nanopartikler11. En af de mest effektive metoder til samlesæt anvendes i applikationer, praktisk enhed-skala er selv-organisering af nanopartikler på et underlag ved fordampning af en flygtige opløsningsmidler6,7,8, 9 , 10 , 11. denne opløsningsmiddel fordampning metode er en nonequilibrium proces, som er i høj grad påvirket af kinetic faktorer såsom fordampning sats og ændringer i nanopartikel-substrat interaktioner. Men da det er vanskeligt at vurdere og styre de kinetiske faktorer, den mekanistiske forståelse af nanopartikel samlesæt af opløsningsmiddel fordampning er ikke fuldt modne. Selvom i situ X-ray spredning undersøgelser har skaffet ensemble-gennemsnit information af nonequilibrium nanopartikel behandle samlesæt12,13,14, denne teknik kan ikke bestemme bevægelse af enkelte nanopartikler og deres tilknytning til det overordnede forløb let kan tilgås.
Væske-celle TEM er en spirende værktøj til sporing af bane af enkelte nanopartikler, gør det muligt for os at forstå uensartethed af nanopartikel bevægelser og deres bidrag til ensemble adfærd15,16, 17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26. Vi har tidligere brugt væske-celle TEM til at spore bevægelsen af enkelte nanopartikler i løbet af opløsningsmiddel fordampning, viser, at flytning af opløsningsmiddel grænsen er en vigtig drivkraft for inducerende nanopartikel samlesæt på et substrat18 , 19. heri, vi introducere eksperimenter hvor vi kan observere processen med nanopartikel samlesæt med væske-celle TEM. Først, vi leverer protokoller for syntesen af platin og føre selenide nanopartikler, før indførelse af fabrikation af væske-celler for TEM og hvordan man indlæse nanopartikler i væske-celle. Som repræsentative resultater viser vi øjebliksbillede billeder fra TEM film af nanopartikel samlesæt drevet af opløsningsmiddel tørring. Ved at spore individuelle partikler i disse film, kan vi forstå de detaljerede mekanismer af opløsningsmiddel-tørring-medieret samlesæt på en enkelt nanopartikel niveau. Under samlesæt, følge platin nanopartikler i vinduet silicon nitride primært bevægelse af det fordampende solvent front på grund af de stærke kapillær kræfterne på det tynde opløsningsmiddel lag. Lignende fænomener blev også observeret til andre nanopartikler (bly selenide) og substrater (silicium), der angiver at væskefronten kapillær kraft er en vigtig faktor i partikel migration nær et substrat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Platin nanopartikler med en størrelse på 7 nm blev syntetiseret via reduktion af ammonium hexachloroplatinate (IV) og ammonium tetrachloroplatinate (II) bruge poly (vinylpyrrolidon) (PVP) som en ligand og ethylenglycol som opløsningsmiddel og reduktionsmiddel27 . En ligand-exchange reaktion med oleylamine blev udført for at sprede partikler i en hydrofobe opløsningsmiddel. Bly selenide nanopartikler blev syntetiseret via termisk nedbrydning af bly-oleat komplekser med TOP-Se som en selen kild…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Prof. A. Paul Alivisatos på University of California, Berkeley og Prof. Taeghwan Hyeon på Seoul National University for den hjælpsomme diskussion. Dette arbejde blev støttet af IBS-R006-D1. W.C.L. anerkender taknemmeligt støtte fra forskningsfonden Hanyang Universitet (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 |
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).
