Vätska-cell transmissionselektronmikroskopi för spårning självmontering av nanopartiklar
Summary
Här presenterar vi experimentella protokoll för realtid observationen av en självmontering process använder vätska-cell transmissionselektronmikroskopi.
Abstract
Torkar en nanopartikel dispersion är ett mångsidigt sätt att skapa själv monterade strukturer av nanopartiklar, men mekanismen av denna process är inte helt klarlagt. Vi har spårat trajectoriesen av enskilda nanopartiklar använda vätska-cell transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att undersöka mekanismen av monteringsprocessen. Häri, presenterar vi de protokoll som används för flytande-cell TEM studier av den mekanism för självmontering. Först, vi införa detaljerade syntetiska protokollen används för att producera enhetligt storlek platinum och leda selenid nanopartiklar. Nästa, vi presenterar mikrofabrikation processer används för att producera flytande celler med kiselnitrid eller silicon windows och sedan beskriva lastning och imaging förfaranden av vätska-cell TEM tekniken. Flera anteckningar ingår att tillhandahålla användbara tips för hela processen, inklusive hur du hantera bräckliga cell Fönstren. De enskilda motioner av nanopartiklar som spåras av vätska-cell TEM avslöjade att förändringar i lösningsmedel gränserna orsakas av avdunstningen påverkas den självmontering process av nanopartiklar. Lösningsmedel gränserna körde nanopartiklar primärt form amorft aggregat, följt av tillplattning av aggregaten att producera en 2-dimensionell (2D) själv monterade struktur. Dessa beteenden är också observerats för olika nanopartiklar typer och olika vätska-cell kompositioner.
Introduction
Den självmontering av kolloidala nanopartiklar är av intresse eftersom det ger en möjlighet att få tillgång till kollektiva fysiska egenskaperna hos enskilda nanopartiklar11. En av de mest effektiva metoderna för självmontering används i praktiska enhet-skala applikationer är självorganisering av nanopartiklar på ett substrat genom avdunstning av en flyktiga lösningsmedel6,7,8, 9 , 10 , 11. lösningsmedel avdunstning metoden är en nonequilibrium process, som i hög grad påverkas av kinetic faktorer såsom Avdunstningshastighet och förändringar i nanopartikel-substrat interaktioner. Men, eftersom det är svårt att uppskatta och styra de kinetic faktorerna, mekanistisk förståelse av nanopartiklar självmontering av lösningsmedel avdunstning är inte fullt mogen. Även i situ X-ray scattering studier har lämnat ensemble-genomsnitt information av nonequilibrium nanopartiklar bearbeta självmontering12,13,14, denna teknik inte avgöra rörelsen av enskilda nanopartiklar, och deras förening med övergripande banan kan inte nås enkelt.
Vätska-cell TEM är en framväxande verktyg för att spåra banan för enskilda nanopartiklar, gör det möjligt för oss att förstå inhomogenitet av nanopartiklar rörelser och deras bidrag till ensemble beteenden15,16, 17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26. Vi har tidigare använt flytande-cell TEM för att spåra enskilda nanopartiklar rörelse under lösningsmedel avdunstning, visar att rörelsen av lösningsmedel gränsen är en stor drivkraft för att inducera nanopartiklar självmontering på ett substrat18 , 19. häri, vi införa experiment där vi kan observera processen för nanopartiklar självmontering använder vätska-cell TEM. Först, vi tillhandahåller protokoll för syntesen av platina och leda selenid nanopartiklar, innan införs fabrication förfarandena av vätska-celler för TEM och hur att ladda nanopartiklar i vätska-cellen. Som representativa resultat visar vi stillbilder från TEM filmer av nanopartiklar självmontering drivs av lösningsmedel torkning. Genom att spåra enskilda partiklar i dessa filmer, kan vi förstå detaljerade mekanismerna av vätska-torkning-medierad självmontering på en enda nanopartiklar nivå. Under självmontering, följa de platina nanopartiklarna på fönstret kisel nitriden främst rörelsen av avdunstande lösningsmedel framsidan på grund av de starka kapillärkrafterna som agerar på det tunna lösningsmedel lagret. Liknande fenomen observerades också för andra nanopartiklar (bly selenid) och substrat (kisel), vilket indikerar att lösningsmedel framsidan kapillär kraft är en viktig faktor i partikel migration nära ett substrat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Platina nanopartiklar med en storlek på 7 nm var syntetiseras via minskning av ammonium hexachloroplatinate (IV) och ammonium tetrachloroplatinate (II) använder poly (vinylpyrrolidon) (PVP) som ligand och etylenglykol som ett lösningsmedel och reduktionsmedel27 . En ligand-exchange reaktion med oleylamine utfördes för att skingra partiklarna i en hydrofob vätska. Bly selenid nanopartiklar var syntetiseras via termisk nedbrytning av bly-oleate komplex med topp-Se som en selen källa<sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Prof. A. Paul Alivisatos vid University of California, Berkeley och Prof. Taeghwan Hyeon vid Seoul National University för bra diskussioner. Detta arbete stöds av IBS-R006-D1. W.C.L. erkänner tacksamt stöd från forskningsfonden Hanyang University (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).
