Vloeistof-cel transmissie-elektronenmicroscopie voor Tracking zelf-assemblage van nanodeeltjes
Summary
Hier introduceren we een experimentele protocollen voor het real-time opvolgen van een zelf-assemblage proces met behulp van vloeistof-cel transmissie-elektronenmicroscopie.
Abstract
Drogen van een nanoparticle-dispersie is een veelzijdige manier om het maken van zelf geassembleerde structuren van nanodeeltjes, maar het mechanisme van dit proces is niet volledig begrepen. We hebben de trajecten van individuele nanodeeltjes met behulp van elektronenmicroscopie transmissie vloeistof-cel (TEM) te onderzoeken van het mechanisme van de assemblage proces opgespoord. Hierin presenteren wij de protocollen die worden gebruikt voor vloeistof-cel TEM studies van de zelf-assemblage mechanisme. Ten eerste stellen we de gedetailleerde synthetische protocollen gebruikt voor het produceren van uniform formaat platina en leiden selenide nanodeeltjes. Vervolgens presenteren we de processen van de microfabrication gebruikt voor het produceren van vloeistof of cellen met waarden siliciumnitride silicon windows en vervolgens beschrijven de laden en de procedures van de vloeistof-cel TEM techniek imaging. Enkele notities zijn opgenomen om te voorzien van nuttige tips voor het gehele proces, met inbegrip van het beheren van de fragiele cel windows. De afzonderlijke bewegingen van nanodeeltjes gevolgd door vloeistof-cel TEM geopenbaard dat wijzigingen in de oplosmiddelen grenzen veroorzaakt door verdamping van de zelf-assemblage proces van nanodeeltjes invloed. Het oplosmiddel grenzen reed nanodeeltjes naar voornamelijk vorm amorf aggregaten, gevolgd door de afvlakking van de aggregaten voor de productie van een 2-dimensionale (2D) zelf geassembleerde structuur. Deze gedragingen ook in acht worden genomen voor verschillende nanoparticle soorten en verschillende composities van de vloeistof-cel.
Introduction
De zelf-assemblage van colloïdale nanodeeltjes is van belang omdat het biedt een mogelijkheid tot collectieve fysische eigenschappen van individuele nanodeeltjes11. Een van de meest effectieve manieren van zelf-assemblage gebruikt in praktische apparaat-schaal toepassingen is zelforganisatie van nanodeeltjes op een substraat door verdamping van een vluchtige oplosmiddelen6,,7,8, 9 , 10 , 11. deze methode verdampend oplosmiddel is een spontane proces, dat wordt grotendeels beïnvloed door kinetische factoren zoals de verdampingssnelheid en wijzigingen in nanoparticle-substraat-interacties. Echter, omdat het moeilijk te schatten en te controleren van de kinetische factoren, het mechanistische begrip van nanoparticle zelf-assemblage door verdampend oplosmiddel is niet volledig volwassen. Hoewel in situ X-ray scattering studies ensemble-gemiddeld informatie hebben verstrekt van de spontane nanoparticle zelf-assemblage proces12,13,14, deze techniek niet Bepaal de motie van individuele nanodeeltjes en hun associatie met het totale traject niet gemakkelijk toegankelijk.
Vloeistof-cel TEM is een opkomende tool voor het bijhouden van het traject van individuele nanodeeltjes, zodat we kunnen begrijpen de heterogeniteit van nanoparticle bewegingen en hun bijdrage aan ensemble gedrag15,16, 17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26. We hebben eerder vloeistof-cel TEM gebruikt voor het bijhouden van de motie van individuele nanodeeltjes tijdens de verdamping van het oplosmiddel, waaruit blijkt dat de beweging van de oplosmiddelen grens een belangrijke drijvende kracht is voor inducerende nanoparticle zelf-assemblage op een substraat18 , 19. hierin, wij voeren experimenten waar we het proces van zelf-assemblage met behulp van vloeistof-cel TEM nanoparticle kunt observeren. Ten eerste, we protocollen voorzien in de synthese van platina en leiden selenide nanodeeltjes, vóór de invoering van de procedures van de fabricage van vloeistof-cellen voor TEM en het laden van nanodeeltjes in de vloeistof-cel. Als representatieve resultaten tonen wij momentopname beelden van TEM films van nanoparticle zelf-assemblage gedreven door het drogen van het oplosmiddel. Door het bijhouden van individuele deeltjes in deze films, kunnen we begrijpen de gedetailleerde mechanismen van het oplosmiddel-drogen-gemedieerde zelf-assemblage op een niveau van één nanoparticle. Zelf-assemblage, volg de platina nanodeeltjes in het siliciumnitride venster voornamelijk tijdens de beweging van de verdampende oplosmiddel voorkant vanwege de sterke capillaire krachten die op de dunne laag van de oplosmiddelen. Soortgelijke verschijnselen werden ook waargenomen voor andere nanodeeltjes (lood selenide) en substraten (silicium), die aangeeft dat de capillaire werking van het oplosmiddel front een belangrijke factor in de migratie van de deeltjes in de buurt van een substraat is.
Protocol
Representative Results
Discussion
Platina nanodeeltjes met een grootte van 7 nm werden gesynthetiseerd via de vermindering van ammoniumnitraat hexachloroplatinate (IV) en ammonium tetrachloroplatinate (II) met poly (vinylpyrrolidon) (PVP) als een ligand en ethyleen glycol als een oplosmiddel en een reducerende agent27 . Een reactie van de ligand-uitwisseling met oleylamine werd uitgevoerd voor het verspreiden van de deeltjes in een hydrofobe oplosmiddel. Lood selenide nanodeeltjes werden gesynthetiseerd via de thermische ontleding…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken Prof. A. Paul Alivisatos aan de Universiteit van Californië, Berkeley en Prof. Taeghwan Hyeon aan Seoul National University voor de nuttige discussie. Dit werk werd gesteund door IBS-R006-D1. W.C.L. erkent dankbaar steun uit het onderzoeksfonds van Hankou Universiteit (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).
