Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Hibrit Atomik Kuvvet Mikroskobu-Taramalı Elektrokimyasal Mikroskop (AFM-SECM) Kullanarak Nanomalzemelerin Yüzey Elektrokimyasal Aktivitesinin Yoklandırılması

Published: February 10, 2021 doi: 10.3791/61111
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Civil and Environmental Engineering, New Jersey Institute of Technology

Summary

Atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), taramalı elektrokimyasal mikroskopi (SECM) ile birlikte, yani AFM-SECM, nano ölçekte malzeme yüzeylerinde aynı anda yüksek çözünürlüklü topoğrafik ve elektrokimyasal bilgiler elde etmek için kullanılabilir. Bu tür bilgiler, nanomalzemelerin, elektrotların ve biyomalzemelerin yerel yüzeylerindeki heterojen özellikleri (örneğin, reaktivite, kusurlar ve reaksiyon bölgeleri) anlamak için kritik öneme sahiptir.

Abstract

Tarama elektrokimyasal mikroskopisi (SECM), sıvı/katı, sıvı/gaz ve sıvı/sıvı arayüzlerinin lokal elektrokimyasal davranışını ölçmek için kullanılır. Atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), topografya ve mekanik özellikler açısından mikro ve nanoyapıyı karakterize etmek için çok yönlü bir araçtır. Bununla birlikte, geleneksel SECM veya AFM, nano ölçekte elektriksel veya elektrokimyasal özellikler hakkında yanal olarak çözümlenmiş sınırlı bilgi sağlar. Örneğin, nanomalzeme yüzeyinin kristal faset seviyelerindeki aktivitesinin geleneksel elektrokimya yöntemleriyle çözülmesi zordur. Bu makale, yüksek çözünürlüklü topografik veriler elde ederken nano ölçekli yüzey elektrokimyasal aktivitesini araştırmak için AFM ve SECM'in, yani AFM-SECM'in bir kombinasyonunun uygulanmasını rapor eder. Bu tür ölçümler, malzeme bilimi, yaşam bilimi ve kimyasal süreçlerde çok çeşitli uygulamalarla ilgili olan nanoyapı ve reaksiyon aktivitesi arasındaki ilişkiyi anlamak için kritik öneme sahiptir. Birleşik AFM-SECM'in çok yönlülüğü, sırasıyla çok yönlü nanopartiküllerin (NP' ler) ve nanobubbles'ın (NB'ler) topoğrafik ve elektrokimyasal özelliklerinin haritalandırılmasıyla gösterilmiştir. Nanoyapıların daha önce bildirilen SECM görüntülemesi ile karşılaştırıldığında, bu AFM-SECM, yüzey haritalamanın daha yüksek çözünürlüğü ile yerel yüzey aktivitesinin veya reaktivitenin nicel olarak değerlendirilmesini sağlar.

Introduction

Elektrokimyasal (EC) davranışın karakterizasyonu, biyoloji 1 , 2 , enerji3 ,4,malzeme sentezi 5 ,6,7ve kimyasal süreç8,9gibi çeşitli alanlardaki interfacial reaksiyonların kinetiği ve mekanizmaları hakkında kritik içgörüler sağlayabilir. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi10,elektrokimyasal gürültü yöntemleri11,galvanostatik aralıklı titrasyon12ve döngüsel voltammetri13 dahil olmak üzere geleneksel EC ölçümleri genellikle makroskopik ölçekte gerçekleştirilir ve yüzey ortalaması tepkisi sağlar. Bu nedenle, elektrokimyasal aktivitenin bir yüzeye nasıl dağıtıldığı hakkında bilgi almak zordur, ancak nano ölçekteki yerel ölçekli yüzey özellikleri, nanomalzemelerin yaygın olarak kullanıldığı yerlerde özellikle önemlidir. Bu nedenle, hem nano ölçekli çok boyutlu bilgileri hem de elektrokimyayı aynı anda yakalayabilen yeni teknikler son derece arzu edilir.

Elektrokimyasal mikroskopinin (SECM) taranmesi, malzemelerin mikro ve nano ölçeklerdeki lokalize elektrokimyasal aktivitesini ölçmek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir14. Tipik olarak SECM, yerel elektrokimyasal özellikleri mekansal olarak çözmek için örnek bir yüzeyi tararken elektroaktif kimyasal türleri tespit etmek için bir prob olarak ultra mikroelekrot kullanır15. Probdaki ölçülen akım, arabulucu türlerinin azaltılması (veya oksidasyonu) ile üretilir ve bu akım, numunenin yüzeyindeki elektrokimyasal reaktivitenin bir göstergesidir. SECM, 1989 16,17'deki ilk başlangıcından sonra önemli ölçüde gelişti, ancak yine de iki ana sınırlama ile karşı çıkılıyor. EC sinyalleri tipik olarak uç-substrat etkileşim özelliklerine duyarlı olduğundan, SECM'in bir sınırlaması, probu sabit bir yükseklikte tutmanın, topografinin toplanan EC bilgileriyle birleşmesi nedeniyle elektrokimyasal aktivitenin yüzey manzarasıyla doğrudan korelasyonunu önlemesidir18. İkincisi, ticari bir SECM sisteminin mikrometre ölçeğinde olan prob boyutları tarafından uzamsal çözünürlük kısmen belirlendiği için mikrometre altı (μm) görüntü çözünürlüğü elde etmesi zordur19. Bu nedenle, nanoelekrodlar, nanometre aralığındaki bir çapa sahip elektrotlar, SECM'de mikrometre altı ölçek 20 ,21 , 22,23'ünaltında bir çözünürlük elde etmek için giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Sabit bir uç-substrat mesafe kontrolü sağlamak ve daha yüksek bir uzamsal elektrokimyasal çözünürlük elde etmek için, iyon iletimikonumlandırması 24,kesme kuvveti konumlandırma 25 , alternatif akım SECM26ve atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) konumlandırması gibi SECM'in çeşitli hibrit teknikleri kullanılmıştır. Bu araçlar arasında SECM'in AFM konumlandırmasını entegre etmek (AFM-SECM) son derece umut verici bir yaklaşım haline gelmiştir. AFM sabit uç-substrat mesafeleri sağlayabildiğinden, entegre AFM-SECM tekniği, keskin AFM uçlarıyla haritalama veya numune süpürme yoluyla nano ölçekli yüzey yapısal ve elektrokimyasal bilgilerin aynı anda edinimine olanak tanır. AFM-SECM'in MacPherson ve Unwin tarafından 199627'deilk başarılı çalışmasından bu yana, prob tasarımı ve imalatının yanı sıra kimyasal ve biyolojik süreçlerde elektrokimya gibi çeşitli araştırma alanlarındaki uygulamalarında önemli gelişmeler sağlanmıştır. Örneğin, AFM-SECM, asil metal nanopartiküller28, fonksiyonelleştirilmiş veya boyutsal olarak kararlı elektrotlar 29,30 ve elektronik cihazlar31gibi kompozit malzeme yüzeylerinin görüntülenmesi için uygulanmıştır. AFM-SECM, elektrokimyasal olarak aktif olan bölgeleri uç akım görüntüsünden eşleyebilir.

Eşzamanlı topoğrafik ve elektrokimyasal ölçümler, iletken AFM32 , 33,34,35,elektrokimyasal AFM (EC-AFM)36 , 37,38,39,tarama iyonu gibi diğer tekniklerle de elde edilebilir. iletim mikroskopisi-taramalı elektrokimyasal mikroskopi (SICM-SECM)24,40ve taramalı elektrokimyasal hücre mikroskopisi (SECCM)41,42 Bu teknikler arasındaki karşılaştırma bir derleme makalesinde ele alınmıştır1. Bu çalışmanın amacı, sudaki çok yönlü kristal kaplar oksit nanomalzemeler ve nanobubbles üzerinde elektrokimyasal haritalama ve ölçümü göstermek için SECM-AFM'yi istihdam etmekti. Çok yönlü nanomalzemeler, temiz enerji uygulamalarında metal oksit katalizörleri için yaygın olarak sentezlenir, çünkü ayırt edici kristalografik özelliklere sahip yönler ayırt edici yüzey atomik yapılara sahiptir ve katalitik özelliklerine daha fazla hakimdir. Ayrıca, altın substratlardaki yüzey nanobubbles (NB'ler) için sıvı/gaz arayüzlerindeki elektrokimyasal davranışı da ölçtük ve karşılaştırdık. NB'ler <1 μm (ultra ince kabarcıklar olarak da bilinir)43çapında kabarcıklardır ve 46,47çözeltilerinde uzun ikamet süreleri ve gaz kütle transferinin yüksek verimliliği46 , 48dahil olmak üzere birçok ilgi çekici özellik44 ,45ortayaçıkarırlar. Ayrıca, NB'lerin çökmesi şok dalgaları ve hidroksil radikallerinin oluşumunu oluşturur (•OH)49,50,51,52. NB'lerin temel kimyasal özelliklerini daha iyi anlamak için çözeltideki oksijen NB'lerin elektrokimyasal reaktivitesini ölçtük.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Numune hazırlama

  1. Çok yönlü Cu2O nanopartiküllerin hazırlanması ve silikon substrat üzerinde biriktirme
    1. 0.175 g CuCl2çözün ⭐2H2O (%99,9) 10 mM CuCl2sulu bir çözelti üretmek için 100 mL deiyonize (DI) suya.
    2. CuCl 2 çözeltisine 10,0 mL 2,0 M NaOH ve 10 mL 0,6 M askorbik asit damla yönünde ekleyin.
    3. Çözeltiyi 250 mL yuvarlak tabanlı bir şişede 55 °C'lik bir su banyosunda 3 saat boyunca sürekli karıştırarak ısıtın.
    4. Elde edilen çökeltiyi santrifüjleme (15 dakika boyunca 5.000 x g) ile toplayın, ardından di suyu ile 3 kez yıkayın ve artık inorganik iyonları ve polimerleri çıkarmak için iki kez etanol.
    5. 5 saat53için 60 °C'de vakumda kuru çökelt.
    6. Testi sağlamak için epoksi kullanarak Şekil 1A'da gösterildiği gibi Cu2O nanopartiküllerini biriktirmek için hazırlanan silikon gofreti substrat olarak kullanın.
      Dikkat: Silikon gofret (Ø3" Silikon gofret, Tip P/<111>) 38 mm x 38 mm'lik tek bir parça halinde kesilmiş, ardından organik ve inorganik kirleticileri gidermek için etanol, metanol ve DI suyu kullanılarak yıkanmıştır.
    7. Temizlenmiş silikon gofrete 10 μL epoksiyi doğrudan pipet ucu ve temiz cam kaydıraklı fayans kullanarak yatırın. Yaklaşık 5 dakika sonra, nanopartiküllerin / su süspansiyonunun (10 mg L-1) 10μL'yi farklı epoksi kaplı silikon gofret substratlarına ayrı ayrı bırakın. Şekil 1B'de gösterilen dört farklı kırmızı nokta, biriken nanopartiküllerin potansiyel konumunu gösterir.
    8. Alt tabakayı 40 °C'de 6 saat boyunca vakumla kurulayın.
    9. Örnek substratı, 10 mM Ru(NH3)6Cl3(%98) içeren 0,1 M KCl'nin 1,8 mL'si ile doldurulacak şekilde EC örnek hücresine(Şekil 4)yerleştirin.
  2. NB'lerin Hazırlanması
    1. Basınçlı oksijenin doğrudan enjeksiyonu ile oksijen nanobubbles üretin (saflık% 99.999) boru şeklinde seramik membran (100 nm gözenek boyutu, WFA0.1) aracılığıyla DI suyuna.
      NOT: Gaz, 414 kPa basınç ve 0,45 L·m-1 akışı altında sürekli olarak enjekte edildi, aksi takdirde54'tebildirildiği gibi kararlı kabarcık boyutu dağılımına ulaştı.
    2. EC numune hücresindeki altın bir substrata NB'lerin su süspansiyonunun 1,8 mL'lik kısmını ekleyin ve 10 dakika stabilize edin.
      NOT: NB'leri hareketsiz hale getirmek için alt tabaka olarak taze 40 mm x 40 mm altın plakalar (Au on Si) kullanılmıştır.
    3. 0,9 mL NB süspansiyonun deklanşimi ve 0,1 M KCl'de 10 mM Ru(NH3)6Cl3 çözeltisinin 0,9 mL'si ile değiştirin.

2. AFM-SECM Kurulumu

NOT: Sunulan AFM-SECM ölçümlerinde AFM kullanılmıştır. EC analizlerini gerçekleştirmek için AFM bir bipotentiostat ve SECM aksesuarları ile donatılmıştır. Şekil S1'degösterildiği gibi, bipotentiostat AFM denetleyicisine bağlıydı ve hem potentiostat hem de AFM aynı bilgisayara bağlıydı. Aksesuarlar arasında bir SECM aynası, koruyucu önyüklemeli bir SECM prob tutucusu ve maksimum akım akışını sınırlamak için direnç seçicili bir gerinim serbest bırakma modülü (10 MΩ direnç kullanılmıştır)55. Şekil 2'degösterildiği gibi, AFM-SECM probları 25 nm uç yarıçapına ve 215 nm uç yüksekliğine sahiptir. Numune, Ag tel elektrodu (25 mm çapında) ve bir Pt telinin karşı elektrodu (25 mm çapında) kullanarak aynı sözde referansı paylaşan çalışan bir elektrot görevi görür. Prob ve numune, farklı redoks reaksiyonlarını etkinleştirmek için farklı potansiyellerde (Ag tel sözde referans elektrotuna karşı) önyargılı olabilir. Sunulan çalışmada uç, [Ru(NH 3 )6]3+ ile [Ru(NH3) 6 ]2+ -400 mV'de ag tel sözde referans elektroduna karşı azaltır.

  1. Mevcut numune aynasını SECM mandren ile değiştirin ve iki M3 x 6 mm soket kafa kapağı vidası ve 2,5 mm altıgen anahtar kullanarak mandreni yerine vidala(Şekil 3A).
  2. Sıcaklık kontrol kablosunu SECM aynasına bağlayın ve düşük gürültülü SECM kablolarını yaylı konektör bloğuna (renk renk) ve anahtar bloğuna(Şekil 3B)bağlayın.
    NOT: SECM testi sırasında anahtarın sağ tarafta tutulması gerekir.
  3. Gerinim serbest bırakma modülünü AFM tarayıcısına takın ve ayrıca yaylı konektör bloğundaki çalışan elektrot konektörüne uzatma kablosuyla bağlayın (Şekil 3C).
  4. EC örnek hücresini birleştirin.
    1. Kesici ucu üst halkaya koyun (Şekil 4A).
    2. İki O halkasını kesici ucun alt oluğuna ve üst oluğuna monte edin (Şekil 4B ve Şekil 4C).
    3. Üst halkanın üstüne bir cam kapak koyun ve ardından dört vidayı hafifçe ve çapraz olarak sıkın (Şekil 4D).
    4. Üst halkadaki iki plastik parça kanalından O halkasında iki delik açmak için 24 mm çapında (Şekil 4E) sert keskin bir tel kullanın (Şekil 4F).
    5. Ag telini ve Pt telini O-halkasındaki delikten geçirin ve Pt telini Şekil 4G'degösterildiği gibi EC örnek hücresindeki bir daireye kavisli hale getirin.
    6. EC örnek hücre üst kısmını kapatmak için, O-halkasının cam kapakla tam olarak temas etmesini sağlamak için monte edilmiş EC örnek hücresini EC numune hücresinin altına bastırın (Şekil 4H).
    7. EC örnek hücresinin üst kısmını baş aşağı yerleştirin ve test örneğini (veya substratı) aşağı doğru çevirin, böylece yay yüklü pimler (pogo pimleri) Şekil 4I ve Şekil 4J'degösterildiği gibi numune yüzeyine temas eder. Test numunesi, EC numune hücresi alt parça contası yapmak için O-halkasını kaplamalıdır.
    8. EC numune hücresi tabanını takın ve sağ uzunlukta vida ile çapraz olarak sıkın (Şekil 4K).

3. AFM-SECM'in Çalışması

  1. AFM ve bipotentiostat araçlarının başlatılması
    1. AFM sistemini ve bipotentiostat kontrol arabirimini başlatmak için iki yazılım simgesini çift tıklatın.
  2. SECM Probu Yükleniyor
    1. Antistatik ped, elektrostatik deşarj (ESD) koruyucu prob standı, giyilebilir anti-statik eldivenler ve bileklik(Şekil 5A)dahil olmak üzere ESD saha servis paketini hazırlayın. Şekil 5B, ESD monitörün bilek kayışı ile bağlantısını göstermektedir.
      NOT: Kırmızı ped zemine bağlandığında ESD monitörü bip sesi çeker. Kullanıcı bileklik taktığında bip durur.
    2. AFM tarayıcısının sıvıya maruz kalmasını önlemek için AFM-SECM testi sırasında koruyucu bir önyükleme (Şekil 6A) kullanın. Prob tutucuyu ESD koruyucu prob standına koyun (Şekil 6B). Koruyucu botu uç tutucuya takmak için bir çift plastik cımbız kullanın (Şekil 6C). Ardından, koruyucu bottaki küçük kesimi Şekil 6D'degösterildiği gibi prob tutucusunda çentikle hizalayın.
    3. Olukların her iki tarafından probukapmak için bir uç cımbızı (yeşil renk) kullanarak AFM-SECM probları kutusunu açın (Şekil 7B). Prob tutucusunu standda tutmak için disk tutucuyu (gümüş renk) kullanırken, prob telini standın deliğine yerleştirin ve ardından probu prob tutucusunun yuvasına kaydırın(Şekil 7C). Prob yuvanın içine girdikten sonra, içeri itmek için cımbızın düz ucunu kullanın. Probun tamamen uç tutucuda olduğundan emin olun(Şekil 7D).
    4. Şekil 8A'dagösterildiği gibi, tüm prob tutucuyu (tutucu-önyükleme dahil) tarayıcıya takın.
    5. Bakır halkanın hemen altındaki teflon uç cımbızını kullanarak kabloyu alın ve modüle bağlayın (Şekil 8B).
    6. Tarayıcıyı güvercin kuyruğuna geri koy.
  3. Örnek hücre yükleniyor
    1. Test örneğini (veya substratı) Bölüm 2.4'te belirtilen EC örnek hücresine monte ettikten sonra, EC örnek hücresini SECM aynasının merkezi noktasına ve sözde referans elektrodu (Ag teli) koyun ve karşıektodu (Pt teli) yaylı konektör bloğuna bağlayın (Şekil 3). EC örnek hücresi manyetik olarak aynaya bağlanır.
  4. Görüntülemeden önce SECM yazılım hazırlığı
    1. AFM-SECM yazılımında, çalışma alanını yüklemek için SECM- PeakForce QNM 'yi seçin (Şekil S2).
    2. Kur'daSECM probunu yükleyin ve hizalama istasyonu kullanarak uçtaki lazeri hizalayın.
    3. Gezintiye Git (Şekil S3). Örnek yüzeye odaklanmak için tarayıcıyı yavaşça aşağı doğru hareket ettinin. Tarayıcının hareket ederken EC örnek hücresinin cam kapağına dokunmayacağından emin olmak için EC örnek hücresinin konumunu hafifçe ayarlayın. Örneğe odaklandıktan sonra Kör Etkileşim Konumunu Güncelleştir'i tıklatın.
      Dikkat: Farklı numunelerin yükseklikleri farklıdır, bu nedenle bir numuneyi değiştirdikten sonra kör devreye alma pozisyonunu güncellemek gerekir.
    4. Akışkan Konumu Eklemek için Taşı 'yıtıklatın.
    5. Çözeltinin seviyesinin cam kapaktan daha düşük olduğundan emin olmak için EC numune hücresine tampon çözeltisinin ~1,8 mL'lik kısmını ekleyin. Su seviyesi cam kapağın üzerindeyse, su tarayıcıya sürünebilir ve elektrik kısasına neden olabilir ve tarayıcıyı kırabilir. 5 dakika daha bekleyin ve kabarcıkları çıkarmak için çözeltiyi kışkırtmak için bir pipet kullanın.
      NOT: Tampon çözeltisi (10 mM [Ru(NH3)6]3+ destekleyici elektrolit ile 0.1 M KCl) hazırlık sonrası sürekli olarak buzdolabında saklanmalıdır. Çözeltiyi kullanmadan önce filtrelemek için filtreli bir şırınna (1 μm gözenek boyutundan büyük değil) kullanın.
    6. Kör Etkileşim Konumuna Taşı 'yıtıklatın. Uç tampon çözeltisine geri taşınacaktır. Lazerin uçta hizalandığından emin olmak için lazeri hafifçe ayarlayın.
    7. CHI yazılımını açın. Şekil S4'tegösterildiği gibi, teknik seçiciyi açmak için araç çubuğundaki Teknik komutunu tıklatın ve Devre Potansiyelini Aç – Zaman'ı seçin. OCP ölçümü için varsayılan ayarı (Çalışma süresi 400 sn) kullanın ve OCP ölçümünü çalıştırın.
      NOT: OCP testinde gösterilmiş potansiyel, bıçaklanmış olarak sıfıra yakın olmalıdır.
    8. Teknik komutunu yeniden tıklatın ve Şekil S5 ve Şekil S6'dagösterildiği gibi Döngüsel Voltammetri (CV)çalıştırın.
      NOT: Parametreleri aşağıdaki gibi ayarlayın. Gerekirse "süpürme parçalarını" daha büyük bir sayıya ayarlayın. "Init E/Final E", OCP ölçümünden elde edilen potansiyel değerle aynı olmalıdır ve "Yüksek E" ve "Düşük E" sırasıyla +0,3 V veya −0,3 V " init E/Final E" olabilir. Burada başlangıç ve yüksek E olarak 0 V ve Düşük ve Son E olarak -0.4 V kullanıyoruz. Tarama hızı 0.05 V/s ve duyarlılık 1 e-009 idi. CV testini çalıştırın, burada ölçülen en yüksek akım (i) 10 mM için 0.3-1.2 nA olmalıdır [Ru(NH3)6]3+.
  5. SECM Görüntüleme
    1. AFM-SECM yazılımına geri dönün. Uç zaten sıvıda olduğundan, Etkileşime Geç'i tıklatın.
    2. Taradıktan sonra, 100 nm kaldırma yüksekliğine sahip kaldırma modunu (Sensörle Kaldır) açın ve kaldırma yüksekliğini numune pürüzlülüğüne göre ayarlayın.
    3. CHI yazılımında, Şekil S7 'de gösterilen parametrelere sahip bir kronoamperometri çalıştırın. İlk E'yi -0,4 V, darbe genişliğini 1000 saniye (sistem tarafından kabul edilen maksimum sayıdır) ve cv taraması ile hassasiyeti aynı olarak ayarlayın.
      NOT: Kronoamperometri tekniği, sunulan bi-potentiostatta amperometrik i-t tekniğinin bulunmaması nedeniyle seçilmiştir.
    4. CHI programı çalışırken, AFM-SECM yazılımına geri dönün, şerit grafiğinde gerçek zamanlı okumayı kontrol edin ve Başlat 'a tıklayın (Şekil S8). Okuma gerçek zamanlı olarak güncellenecektir. Daha sonra hem topografya görüntüleme hem de mevcut görüntüleme süreci başlayacaktır. Görüntüleri AFM-SECM yazılımına kaydedin.
  6. Yaklaşım eğrisini denetleme
    1. Ucu 1 μm tarama boyutuna sahip numune veya substrat bölgesine tutturun.
    2. Chronoamperometry'i 3.5.3'te belirtildiği gibi çalıştırın.
    3. AFM-SECM Yazılımı'na geri dönün ve Rampaya Gitkomutunu seçin.
    4. Rampa 'yatıklayın. Bir yaklaşım eğrisi AFM-SECM yazılımına kaydedilir.
  7. İpucu temizliği
    1. EC numune hücresini temiz su kabı olarak kullanmak. Navigasyon panelinde kör devreye girme işlevlerini kullanarak ucu sıvının içine ve dışına taşıyın. Temiz suyu üç kez değiştirin. Bu üç kez temizlendikten sonra, prob tutucusundan kalan suyu dikkatlice çıkarmak ve probu prob kutusuna geri koymak için temiz mendiller kullanmak.
      Dikkat: Görüntülemeden sonra AFM-SECM probun dikkatlice temizlenmesi gerekir. Elektrostatik yük proba zarar verebileceğinden, probu temizlemek için asla yıkama şişesinden çıkan suyu kullanmayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

AFM-SECM tarafından ONB'lerin topografyası ve güncel görüntülenmesi

NB'leri AFM ile karakterize eden önceki çalışmalar, katı bir substrat üzerinde hareketsiz hale getirilen NB'lerin boyutunu ve dağılımını ortaya çıkarmak için sadece topografya görüntülerini bildirmiştir56,57. Buradaki deneyler hem morfolojik hem de elektrokimyasal bilgileri ortaya çıkardı. Bireysel oksijen nanobubbles (ONB'ler) açıkça tanımlanabilir Şekil 9, hangi topografya yanı sıra uç akım haritalama veya bilgi sağlar. Uç akımı, Şekil 9C'degösterildiği gibi-0.4V'de bir önyargı potansiyeli altında uçta [Ru(NH 3 ) 6 ]2+ olarak düşürülen [Ru(NH 3 )6]3+ redoks reaksiyonu tarafından oluşturulmuştur. Topografya ve mevcut görüntünün karşılaştırılması, NB'lerin konumları ile mevcut noktalar arasındaki iyi korelasyonu göstermektedir. Bu sonuç, ONB'lerin [Ru(NH 3 ) 6 ]3+'nın dökme çözeltiden58.

AFM-SECM tarafından Cu2O NP'lerin topografyası ve güncel görüntülenmesi

Cu2O nanopartiküllerinin topografyası ve güncel görüntüleri Şekil 10'dasunulmuştur. Uç akımı, Şekil 10C'degösterildiği gibi-0.4V potansiyeline sahip uçta da azaltılan [Ru(NH 3 )6]3+redoks reaksiyonu nedeniyle oluşturulmuştur. Nanopartikül yaklaşık 500-1000 nm büyüklüğündedir. Sunulan topografya görüntüsü 1st sipariş düzleştirme tedavisi ile işlenmiştir. AFM tarafından belirlenen parçacık boyutu, SEM görüntüsünden elde edilenle karşılaştırılabilir. Uzunluk veya genişlik, uç konvolüsyon etkisi nedeniyle nanopartiküllerin yüksekliğinden (yaklaşık 500 nm) biraz daha büyüktür, AFM görüntüleme işleminde nesne boyutunun sonlu boyutlu bir AFM ucu60ile aşırı tahmin edilmesine neden olan iyi bilinen bir yapıttır. Bu çalışmada, Cu2O nanopartikül keskin bir oktahedron şekline sahip olduğu için, AFM ucu dik yan duvara ve tabana dokunamayabilir ve bu konvolüzyon etkisi yüzeyin birçok yanal genişlemesini açıklayabilir61. Şekil 10B, topografya görüntüsünde görünen nanopartikülün mevcut görüntüdeki belirgin elektrik akımı "spot" ile ilişkili olduğunu gösterirken, arka plan akımı (~10 pA) düz silikon substrata karşılık gelir.

Cu2O NPs'nin CV ve Yaklaşım eğrileri

Şekil 11A, AFM-SECM ucunun beş temsili CV eğrisini, ucu alt tabakadan yaklaşık 1 mm uzakta 10 mM [Ru(NH3)6]3+ ve 0,1 M KCl'de gösterir. Difüzyon sınırlı uç akımı (~1.2 nA) zamanla azalmadı. Şekil 11A, CV eğrisini 50 mV s−1olarak bir tarama hızında gösterir , bu da -0,4 V vs Ag / AgCl'nin önyargı potansiyelini doğrular, [Ru(NH 3 )6]3+ 'nın azaltma reaksiyonu nedeniyle maksimum plato ucu akımına yolaçmıştır.

Şekil 11B, uç numune yüzeyine doğru ilerlerken uç akımının değişikliklerini gösterir. AFM-SECM ucu, temas 62,63'ün bir sonucu olarak fiziksel uç-substrat temasını veya bükülmesini gösteren bir setpoint'e (bu çalışmada5nN)ulaşana kadar alt tabaka yüzeyine Z yönünde yaklaştı. Çizimlerdeki akım,uç numune yüzeyinden1 μm yukarıda olduğunda ölçülen uç akımı olarak tanımlanan i 0(i0=3.385 nA) olarak normalleştirildi. Uç, 10 mM [Ru(NH 3 ) 6 ]3+ve 0,1 M KCl içeren elektrolitte−0,4V vs Ag/AgCl'de önyargılıydı. Normalleştirilmiş uç akımı azalan tip-numune mesafesi ile artmıştır. 8 < nm'de, uç nanopartikül yüzeyi ile temas halindeydi ve normalleştirilmiş uç akımı keskin bir şekilde arttı, çünkü muhtemelen negatif yüklü Si yüzeyi yüzeye yakın [Ru(NH3)6]3 + yerel konsantrasyonunun artmasına neden olacaktı.

Figure 1
Şekil 1: Cu2O nanopartiküllerinin silikon gofret üzerinde birikmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: AFM-SECM sisteminin şeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: SECM aynası ve diğer aksesuarlar için kurulum prosedürü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: EC örnek hücresinin montaj prosedürü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: ESD alan hizmet paketi.
(A) ESD koruyucu parçaların parçaları; (B) ESD monitör, bileklik ve topraklama teli bağlantıları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Koruyucu botun prob tutucusuna takılma prosedürü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 7
Şekil 7: SECM probun prob tutucusuna yüklenmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 8
Şekil 8: SECM Sondası.
(A) Prob tutucu-önyükleme derlemesini tarayıcıya takın; (B) Probun gerinim serbest bırakılan modüle bağlanması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 9
Şekil 9: Aynı anda elde edilen topografya (A) ve uç akımı (B) 10 mM [Ru(NH 3 )6]3+ve 0.1 M KCl içeren elektrolitteki oksijen NB'lerin görüntüleri.
Uç (uç uç yarıçapı 25nm'dir) -0.4V'da önyargılıydı. (C) NB'lerin AFM-SECM ölçümünün şematik çizimi Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 10
Şekil 10: Aynı anda 10 mM [Ru(NH3)6]3+ve 0.1 M KCl içerenelektrolitteki Cu 2 O nanopartiküllerinin topografya (A) ve uç akımı (B) görüntüleri elde edildi.
İpucu (uç uç yarıçapı 25nm'dir) -0.4V (C) NP'lerin AFM-SECM ölçümünün şematik çizimi olarak önyargılıydı.

Figure 11
Şekil 11: Cu2O NPs'nin CV ve Yaklaşım eğrileri.
(A) Cu 2 O nanopartikül yüzeyinde nanoelektod probun yaklaşım eğrileri 10 mM [Ru(NH3)6]3+ve0.1M KCl. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

tepkime E0 / V konsantrasyon Uygulanan Potansiyel Ref
2H+ + 2e− Icon 1 H2 0
[Ru(NH3)6] 3+ + e− Icon 1 [Ru(NH3)6]2+ 0.10 (NHE) 10 mM −0,4 V (Ag/AgCl) 1
2NO2− + 3H2O + 4e− Icon 1 N2O+ 6OH− 0.15(NHE) 0,1 M +0,95V (Ag/AgCl) 2
[Fe(CN)6] 3− + e− Icon 1 [Fe(CN)6]4− 0.358(NHE) 2 ~ 5 mM +0.0 ~ 0.5V(Ag/AgCl) 3
CLO4− + H2O + 2e− Icon 1 CLO3−+ 2OH− 0.36(NHE) 0.1 ~1 M +0,30 V(SCE) 4
[IrCl6] 3− + 3e− Icon 1 Ir + 6Cl− 0,77(NHE) 10 mM +1.0 V(Ag/AgCl) 5
SO42− + H2O + 2e− SO Icon 1 32−+ 2OH− -0,93 (NHE) 10 mM -0,45 V(Ag/AgCl) 6
AgCl + e− Icon 1 Ag + Cl− 0,22233(NHE)
Başvuru:
1. Jiang, J. ve ark. Pt/p-Si ve Pt/p+-Si Elektrotlarının Nanoelektrik ve Nanoelektrik Görüntülemesi. ChemSusChem. 10 (22), 4657-4663, (2017).
2. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. & Souto, R.M. Kombine atomik kuvvet kullanılarak ve elektrokimyasal mikroskopi taranarak demir pasif oksit tabakasında çukur çekirdeklerinin ve büyümesinin yerinde izlenmesi. ChemElectroChem. 2 (11), 1847-1856, (2015).
3. Jones, C. E., Unwin, P. R. & Macpherson, J. V. Birleşik Tarama Elektrokimyasal-Atomik Kuvvet Mikroskopisi (SECM–AFM) Kullanılarak Sulu Çözeltide Kalsitin Bölünme Yüzeyinden Çözünmede Rol Oynayan Yüzey Süreçlerinin Yerinde Gözlemlenmesi. Kimya Kimya. 4 (2), 139-146, (2003).
4. Anne, A., Cambril, E., Chovin, A., Demaille, C. ve Goyer, C. Elektrokimyasal atomik kuvvet mikroskopisi, nanosistemlerin topografik ve fonksiyonel görüntülenmesi için uçlu bir redoks mediator kullanarak. ACS nano. 3 (10), 2927-2940, (2009).
5. Macpherson, J. V., Jones, C. E., Barker, A. L. & Unwin, P. R. Tek nano ölçekli gözenekler aracılığıyla difüzyonun elektrokimyasal görüntülemesi. Analitik kimya. 74 (8), 1841-1848, (2002).
6. Izquierdo, J., Eifert, A., Kranz, C. & Souto, R.M. Elektrokimyasal mikroskopiyi tarayarak atomik kuvvet kullanılarak asidik klorür çözeltisinde bakır korozyonunun yerinde incelenmesi. Elektrokimya Acta. 247 588-599, (2017).

Tablo 1: Literatürde kullanılan redoks mediatör örnekleri.

Şekil S1: Bipotentiostat ve AFM denetleyicisi arasındaki bağlantıyı gösteren fotoğraf. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S2: PeakForce SECM çalışma alanını yazılıma yükleyin. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S3: SECM çalışma alanı için gezinti paneli. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S4: Açık Devre Potansiyelini Çalıştırın – Zaman. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S5: Döngüsel Voltammetri çalıştırın. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S6: Döngüsel voltammetri ölçümü için parametre ayarı. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S7: Kronoamperometri ölçümü için parametreler. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S8: AFM-SECM yazılımında geçerli okumaya başlayın. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Şekil S9: Amperometrik i-t tekniği için parametreler. Bu rakamı indirmek için lütfen tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu protokolde, yüksek çözünürlüklü multimodal görüntülemeyi sağlayan birleşik bir AFM-SECM tekniği açıklanmıştır. Bu teknik, topografyanın tek nanopartiküller veya nanobubbles üzerinde toplanan SECM akımı ile aynı anda eşlenilmesini sağlar. Deneyler ticari problar kullanılarak gerçekleştirildi. Bu problar, çok çeşitli elektrokimyasal ortamlar, elektrokimyasal performans, mekanik stabilite ve çok döngülü elleçleme18ile kimyasal uyumluluk sağlamak için tasarlanmıştır. Bununla birlikte, AFM-SECM problarının stabilitesi ve dayanıklılığı, elektrokimyasal bilgilerin güvenilir ve yüksek çözünürlükte ölçülürlüğü için kritik öneme sahiptir. Sonuç olarak, 3.2 ve 3.7 adımlarında belirtilen adımlar AFM-SECM ucunun elektrostatik deşarj ile yok edilmesini korumak için kritik öneme sahiptir. Belirli protokol adımlarıyla ilgili ayrıntılı tartışma da açıklanmıştır.

3.4.5. adımda, sunulan testte 0.1 M KCl destekleyen elektrolit ile 10 mM [Ru(NH3)6]3+ kullanıldı. 5-10 mM, iyi akım sinyalleri elde etmekiçin literatürde yaygın olarak kullanılan bir [Ru(NH 3 )6]3+ konsantrasyonudur30. AFM-SECM ölçümlerinde yaygın olarak kullanılan redoks mediatörlerinin daha fazla örneği tartışmada özetlenmiştir (Tablo 1).

Adım 3.4.6'da, elektrotların kalitesi ve stabilitesi OCP ölçümü ile doğrulanır. OCP'de ölçülen potansiyel sıfıra yakın veya kararsız değilse, sayaç ve sözde referans elektrotlar kontrol edilmelidir. Kararsız OCP'nin olası nedenleri, kabarcıkların elektrotlara veya sıvıya daldırılmayan elektrotlara bağlanması olabilir.

Adım 3.4.8'de, burada belirtilen potansiyel aralık "Yüksek E" ve "Düşük E" +0.3 V veya −0.3 V olabilir "init E/ Final E" CV testine başlamak için güvenli bir seçimdir. Daha sonra, potansiyel aralık, CV eğrisinde bir plato akımına yol açan potansiyel değere göre ayarlanabilir. Tarama hızı 0,01 V/s ile 0,1 V/s arasında değişebilir. Daha yüksek bir tarama hızı daha yüksek bir duyarlılığa neden olur, ancak şarj akımı da artar. Ayrıca, yüksek tarama oranlarında voltammogramlar bozuk şekiller sundu64. CV testi "taşma" göstermediği sürece daha yüksek bir duyarlılık değeri seçilmelidir. Bir "taşma" iletisi gösterildiyse, duyarlılık azaltılmalıdır.

3.5.2. adımda, görüntüleme için AFM-SECM görüntüleme işlemi, genellikle 40-150 nm asansör yüksekliğine sahip bir asansör tarama modu kullanılarak gerçekleştirildi. Daha düşük bir kaldırma yüksekliği seçilmişse, ucun numune yüzeyine çarpma olasılığı olabilir. Kaldırma yüksekliği çok yüksekse, uç örnek yüzeyden uzak olduğu için mevcut görüntüleme çözünürlüğünü azaltabilir.

Sunulan ölçüm protokolündeki 3.5.3 adımında, [Ru(NH 3 ) 6 ]3+azaltmasını gerçekleştirmek için -0.4 V ve Ag/AgCl (-0.18V veNHE)seçildi. Prob [Ru(NH3)6]3+ ila [Ru(NH3)6] 2+ at -0.35 to -0.5 V vs Ag wire pseudo-reference electrode'u azaltabilirken, örnek [Ru(NH 3 ) 6 ] 3+rejenerasyon için 0 ila-0.1V'de önyargılı olabilir. Bu değer CV taramasında ölçülen plato akımına bağlıdır. Ayrıca tablo 1'de özetlenen farklı redoks mediatörlerine göre değişecektir.

Ayrıca, kronoamperometri tekniği, sunulan bi-potentiostatta Amperometrik i-t tekniğinin bulunmaması nedeniyle seçilmiştir. Okuyucular Amperometrik i-t tekniğini destekleyen bir bi-potentiostat'a sahipse, Şekil S9'da gösterildiği gibi i-t tekniğini ayarlayabilirler. Çalışma süresi, AFM-SECM'de en az bir geçerli görüntüleme işlemi için yeterli olduğundan emin olmak için 2000 saniye olarak seçildi.

Ayrıca, katı parçacıkların alt tabaka üzerinde tamamen hareketsiz hale getirilmesi gerektiğinden, görüntüleme işlemi sırasında parçacıkların kopmaması için numune hazırlama da çok önemlidir. Ayrıca, numune yüzeylerinin (örneğin elektrot) elektrokimyasal veya elektriksel özelliklerini taramak veya araştırmak için, numuneler ve substratlar arasındaki bağlamanın elektrik iletkenliğini sağlaması gerekir. Örnek hazırlama yöntemleri, özellikle nano nesneler karakterizasyonu için çok çeşitli uygulamalara yararlı ve başvurulabilir olmalıdır; ancak, örnek immobilizasyon yöntemleri belirli örneklere göre değişebilir65,66. Genel olarak, AFM-SECM'in oksijen NB'lerinin ve Cu2O nanopartiküllerinin yüksek çözünürlüklü görüntülenmesini sağladığını gösterdik. Açıkçası, bu AFM-SECM protokolün interfacial elektrokimyasal analizde önemli roller oynaması ve malzeme bilimi, kimya ve yaşam bilimleri 1,19gibi farklı araştırma alanlarında geniş uygulamalara sahip olması beklenmiştir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (Ödül Numarası: 1756444) tarafından Nano Malzemelerin Biyolojik ve Çevresel Arayüzleri, USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü, AFRI projesi [2018-07549] ve ABD Çevre Koruma Ajansı tarafından New Jersey Teknoloji Enstitüsü'ne verilen 83945101-0 numaralı Yardım Anlaşması aracılığıyla finanse edilmektedir. EPA tarafından resmi olarak gözden geçirilmemiştir. Bu belgede ifade edilen görüşler yalnızca yazarların görüşleridir ve mutlaka Ajansın görüşlerini yansıtmaz. EPA, bu yayında belirtilen herhangi bir ürün veya ticari hizmeti onaylamaz. Yazarlar ayrıca New Jersey Teknoloji Enstitüsü'ndeki Lisans Araştırma ve İnovasyon Programı (URI) Faz-1 ve Faz-2'ye de teşekkür eder.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Atomic force microsopy Bruker, CA Dimenison Icon
Bipotentiostat CH Instruments, Inc. CHI 700E
Materials
Silicon wafer TED PELLA, Inc. 16013
Fresh gold plates Bruker, CA model 119-017-307
PF-SECM-AFM probes Bruker, CA 990-050138
PF-SECM strain-release module Bruker, CA 840-012-724
PF-SECM Probe Holder Bruker, CA 900-050121
PF-SECM Chuck Bruker, CA PF-SECM Chuck
PF-SECM O-ring Bruker, CA 598-000-106
PF-SECM cover glass, SECM Cell Bruker, CA 900-050137
EC Cell Assy Bruker, CA 932-017-300
ESD Field Service Bruker, CA 490-000-066
PF-SECM Boot Bruker, CA 900-050136
Spring connector block Bruker, CA 900-050524
PFSECM Tweezers Bruker, CA
Cable, SECM Tip module Bruker, CA 468-050171
Ag wire Bruker, CA 249-000-056
Pt wire Bruker, CA 248-000-004
Hard sharp wire Bruker, CA TT-ECM10
Tubular ceramic membrane Refracton WFA0.1
Chemicals
Copper(II) chloride dihydrate ACROS Organics AC315281000
Sodium Hydroxide Fisher Chemical S318-100
Ascorbic Acid Fisher Chemical A61-25
Epoxy Loctite Instant Mix
Potassium Chloride Fisher Chemical P217-500
Hexaammineruthenium(III) chloride ACROS Organics AC363342500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shi, X., Qing, W., Marhaba, T., Zhang, W. Atomic Force Microscopy-Scanning Electrochemical Microscopy (AFM-SECM) for Nanoscale Topographical and Electrochemical Characterization: Principles, Applications and Perspectives. Electrochimica Acta. , 135472 (2019).
  2. Aazam, E. S., Ghoneim, M. M., El-Attar, M. A. Synthesis, characterization, electrochemical behavior, and biological activity of bisazomethine dye derived from 2, 3-diaminomaleonitrile and 2-hydroxy-1-naphthaldehyde and its zinc complex. Journal of Coordination Chemistry. 64 (14), 2506-2520 (2011).
  3. Shukla, A., Sampath, S., Vijayamohanan, K. Electrochemical supercapacitors: Energy storage beyond batteries. Current science. 79 (12), 1656-1661 (2000).
  4. Kötz, R., Carlen, M. Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2483-2498 (2000).
  5. Botte, G. G. Electrochemical manufacturing in the chemical industry. The Electrochemical Society Interface. 23 (3), 49-55 (2014).
  6. Kongsricharoern, N., Polprasert, C. Electrochemical precipitation of chromium (Cr6+) from an electroplating wastewater. Water Science and Technology. 31 (9), 109-117 (1995).
  7. Datta, M., Landolt, D. Fundamental aspects and applications of electrochemical microfabrication. Electrochimica Acta. 45 (15-16), 2535-2558 (2000).
  8. Wang, S., George, K., Nesic, S. High pressure CO2 corrosion electrochemistry and the effect of acetic acid. Corrosion/2004. 4375, paper (2004).
  9. Song, G. L. Corrosion of Magnesium alloys. , Elsevier. 3-65 (2011).
  10. Bellezze, T., Giuliani, G., Viceré, A., Roventi, G. Study of stainless steels corrosion in a strong acid mixture. Part 2: anodic selective dissolution, weight loss and electrochemical impedance spectroscopy tests. Corrosion Science. 130, 12-21 (2018).
  11. Ehsani, A., et al. Evaluation of Thymus vulgaris plant extract as an eco-friendly corrosion inhibitor for stainless steel 304 in acidic solution by means of electrochemical impedance spectroscopy, electrochemical noise analysis and density functional theory. Journal of Colloid and Interface Science. 490, 444-451 (2017).
  12. Cui, Z. H., Guo, X. X., Li, H. Equilibrium voltage and overpotential variation of nonaqueous Li-O2 batteries using the galvanostatic intermittent titration technique. Energy & Environmental Science. 8 (1), 182-187 (2015).
  13. Elgrishi, N., et al. A Practical Beginner's Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  14. Amemiya, S., Bard, A. J., Fan, F. R. F., Mirkin, M. V., Unwin, P. R. Scanning Electrochemical Microscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 1 (1), 95-131 (2008).
  15. Mirkin, M. V., Nogala, W., Velmurugan, J., Wang, Y. Scanning electrochemical microscopy in the 21st century. Update 1: five years after. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (48), 21196-21212 (2011).
  16. Bard, A. J., Fan, F. R. F., Kwak, J., Lev, O. Scanning electrochemical microscopy. Introduction and principles. Analytical Chemistry. 61 (2), 132-138 (1989).
  17. Engstrom, R. C., Pharr, C. M. Scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 61 (19), 1099-1104 (1989).
  18. Nellist, M. R., et al. Atomic force microscopy with nanoelectrode tips for high resolution electrochemical, nanoadhesion and nanoelectrical imaging. Nanotechnology. 28 (9), 095711 (2017).
  19. Patel, A. N., Kranz, C. (Multi) functional atomic force microscopy imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 11, 329-350 (2018).
  20. Ufheil, J., Heß, C., Borgwarth, K., Heinze, J. Nanostructuring and nanoanalysis by scanning electrochemical microscopy (SECM). Physical Chemistry Chemical Physics. 7 (17), 3185-3190 (2005).
  21. Bergner, S., Wegener, J., Matysik, F. M. Simultaneous imaging and chemical attack of a single living cell within a confluent cell monolayer by means of scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 83 (1), 169-174 (2011).
  22. Hu, K., et al. Platinized carbon nanoelectrodes as potentiometric and amperometric SECM probes. Journal of Solid State Electrochemistry. 17 (12), 2971-2977 (2013).
  23. Kranz, C. Recent advancements in nanoelectrodes and nanopipettes used in combined scanning electrochemical microscopy techniques. Analyst. 139 (2), 336-352 (2014).
  24. Morris, C. A., Chen, C. C., Baker, L. A. Transport of redox probes through single pores measured by scanning electrochemical-scanning ion conductance microscopy (SECM-SICM). Analyst. 137 (13), 2933-2938 (2012).
  25. Ludwig, M., Kranz, C., Schuhmann, W., Gaub, H. E. Topography feedback mechanism for the scanning electrochemical microscope based on hydrodynamic forces between tip and sample. Review of Scientific Instruments. 66 (4), 2857-2860 (1995).
  26. Eckhard, K., Schuhmann, W. Alternating current techniques in scanning electrochemical microscopy (AC-SECM). Analyst. 133 (11), 1486-1497 (2008).
  27. Macpherson, J. V., Unwin, P. R., Hillier, A. C., Bard, A. J. In-situ imaging of ionic crystal dissolution using an integrated electrochemical/AFM probe. Journal of the American Chemical Society. 118 (27), 6445-6452 (1996).
  28. Huang, K., Anne, A., Bahri, M. A., Demaille, C. Probing Individual Redox PEGylated Gold Nanoparticles by Electrochemical-Atomic Force Microscopy. ACS Nano. 7 (5), 4151-4163 (2013).
  29. Chennit, K., et al. Electrochemical Imaging of Dense Molecular Nanoarrays. Analytical Chemistry. 89 (20), 11061-11069 (2017).
  30. Jiang, J., et al. Nanoelectrical and Nanoelectrochemical Imaging of Pt/p-Si and Pt/p+-Si Electrodes. ChemSusChem. 10 (22), 4657-4663 (2017).
  31. Knittel, P., Mizaikoff, B., Kranz, C. Simultaneous nanomechanical and electrochemical mapping: combining peak force tapping atomic force microscopy with scanning electrochemical microscopy. Analytical Chemistry. 88 (12), 6174-6178 (2016).
  32. Quist, A. P., et al. Atomic force microscopy imaging and electrical recording of lipid bilayers supported over microfabricated silicon chip nanopores: Lab-on-a-chip system for lipid membranes and ion channels. Langmuir. 23 (3), 1375-1380 (2007).
  33. Cohen, H., et al. Electrical characterization of self-assembled single- and double-stranded DNA monolayers using conductive AFM. Faraday Discussions. 131 (0), 367-376 (2006).
  34. Chung, J. W., et al. Single-crystalline organic nanowires with large mobility and strong fluorescence emission: a conductive-AFM and space-charge-limited-current study. Journal of Materials Chemistry. 19 (33), 5920-5925 (2009).
  35. Guo, D. Z., Hou, S. M., Zhang, G. M., Xue, Z. Q. Conductance fluctuation and degeneracy in nanocontact between a conductive AFM tip and a granular surface under small-load conditions. Applied Surface Science. 252 (14), 5149-5157 (2006).
  36. Rocca, E., Bertrand, G., Rapin, C., Labrune, J. C. Inhibition of copper aqueous corrosion by non-toxic linear sodium heptanoate: mechanism and ECAFM study. Journal of Electroanalytical Chemistry. 503 (1), 133-140 (2001).
  37. Toma, F. M., et al. Mechanistic insights into chemical and photochemical transformations of bismuth vanadate photoanodes. Nature Communications. 7, 12012 (2016).
  38. Kouzeki, T., Tatezono, S., Yanagi, H. Electrochromism of Orientation-Controlled Naphthalocyanine Thin Films. The Journal of Physical Chemistry. 100 (51), 20097-20102 (1996).
  39. Yamaguchi, Y., Shiota, M., Nakayama, Y., Hirai, N., Hara, S. Combined in situ EC-AFM and CV measurement study on lead electrode for lead-acid batteries. Journal of Power Sources. 93 (1), 104-111 (2001).
  40. Comstock, D. J., Elam, J. W., Pellin, M. J., Hersam, M. C. Integrated Ultramicroelectrode-Nanopipet Probe for Concurrent Scanning Electrochemical Microscopy and Scanning Ion Conductance Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (4), 1270-1276 (2010).
  41. Ebejer, N., Schnippering, M., Colburn, A. W., Edwards, M. A., Unwin, P. R. Localized High Resolution Electrochemistry and Multifunctional Imaging: Scanning Electrochemical Cell Microscopy. Analytical Chemistry. 82 (22), 9141-9145 (2010).
  42. Ebejer, N., et al. Scanning Electrochemical Cell Microscopy: A Versatile Technique for Nanoscale Electrochemistry and Functional Imaging. Annual Review of Analytical Chemistry. 6 (1), 329-351 (2013).
  43. Alheshibri, M., Qian, J., Jehannin, M., Craig, V. S. A history of nanobubbles. Langmuir. 32 (43), 11086-11100 (2016).
  44. Liu, G., Wu, Z., Craig, V. S. Cleaning of protein-coated surfaces using nanobubbles: an investigation using a quartz crystal microbalance. The Journal of Physical Chemistry C. 112 (43), 16748-16753 (2008).
  45. Ghadimkhani, A., Zhang, W., Marhaba, T. Ceramic membrane defouling (cleaning) by air Nano Bubbles. Chemosphere. 146, 379-384 (2016).
  46. Uchida, T., et al. Transmission electron microscopic observations of nanobubbles and their capture of impurities in wastewater. Nanoscale Research Letters. 6 (1), 1 (2011).
  47. Ushikubo, F. Y., et al. Evidence of the existence and the stability of nano-bubbles in water. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 361 (1-3), 31-37 (2010).
  48. Bowley, W. W., Hammond, G. L. Controlling factors for oxygen transfer through bubbles. Industrial, Engineering Chemistry Process Design and Development. 17 (1), 2-8 (1978).
  49. Li, P., Takahashi, M., Chiba, K. Enhanced free-radical generation by shrinking microbubbles using a copper catalyst. Chemosphere. 77 (8), 1157-1160 (2009).
  50. Takahashi, M., et al. Effect of shrinking microbubble on gas hydrate formation. The Journal of Physical Chemistry B. 107 (10), 2171-2173 (2003).
  51. Takahashi, M., Chiba, K., Li, P. Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus. The Journal of Physical Chemistry B. 111 (6), 1343-1347 (2007).
  52. Ahmed, A. K. A., et al. Influences of air, oxygen, nitrogen, and carbon dioxide nanobubbles on seed germination and plant growth. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 66 (20), 5117-5124 (2018).
  53. Zhang, D. F., et al. Delicate control of crystallographic facet-oriented Cu 2 O nanocrystals and the correlated adsorption ability. Journal of Materials Chemistry. 19 (29), 5220-5225 (2009).
  54. Khaled Abdella Ahmed, A., et al. Colloidal Properties of Air, Oxygen, and Nitrogen Nanobubbles in Water: Effects of Ionic Strength, Natural Organic Matters, and Surfactants. Environmental Engineering Science. , (2017).
  55. Huang, Z., et al. PeakForce scanning electrochemical microscopy with nanoelectrode probes. Microscopy Today. 24 (6), 18-25 (2016).
  56. Lou, S. T., et al. Nanobubbles on solid surface imaged by atomic force microscopy. Journal of Vacuum Science, Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 18 (5), 2573-2575 (2000).
  57. Borkent, B. M., Dammer, S. M., Schönherr, H., Vancso, G. J., Lohse, D. Superstability of surface nanobubbles. Physical Review Letters. 98 (20), 204502 (2007).
  58. Agarwal, A., Ng, W. J., Liu, Y. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere. 84 (9), 1175-1180 (2011).
  59. Tasaki, T., Wada, T., Baba, Y., Kukizaki, M. Degradation of surfactants by an integrated nanobubbles/VUV irradiation technique. Industrial & Engineering Chemistry Research. 48 (9), 4237-4244 (2009).
  60. Fujita, D., Itoh, H., Ichimura, S., Kurosawa, T. Global standardization of scanning probe microscopy. Nanotechnology. 18 (8), 084002 (2007).
  61. Häßler-Grohne, W., Hüser, D., Johnsen, K. P., Frase, C. G., Bosse, H. Current limitations of SEM and AFM metrology for the characterization of 3D nanostructures. Measurement Science and Technology. 22 (9), 094003 (2011).
  62. Sakai, K. Measurement Techniques and Practices of Colloid and Interface Phenomena. , Springer. 51-57 (2019).
  63. Gan, T., Wu, B., Zhou, X., Zhang, G. Ultrahigh resolution, serial fabrication of three dimensionally-patterned protein nanostructures by liquid-mediated non-contact scanning probe lithography. RSC Advances. 6 (55), 50331-50335 (2016).
  64. Arteaga, J. F., et al. Comparison of the simple cyclic voltammetry (CV) and DPPH assays for the determination of antioxidant capacity of active principles. Molecules. 17 (5), 5126-5138 (2012).
  65. Moreno-Herrero, F., Colchero, J., Gomez-Herrero, J., Baro, A. Atomic force microscopy contact, tapping, and jumping modes for imaging biological samples in liquids. Physical Review E. 69 (3), 031915 (2004).
  66. Doktycz, M., et al. AFM imaging of bacteria in liquid media immobilized on gelatin coated mica surfaces. Ultramicroscopy. 97 (1-4), 209-216 (2003).

Tags

Geri çekme Sayı 168 Elektrokimyasal aktivite AFM-SECM tarama elektrokimyasal mikroskop atomik kuvvet mikroskobu nanomalzeme karakterizasyonu
Hibrit Atomik Kuvvet Mikroskobu-Taramalı Elektrokimyasal Mikroskop (AFM-SECM) Kullanarak Nanomalzemelerin Yüzey Elektrokimyasal Aktivitesinin Yoklandırılması
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, … More

Shi, X., Ma, Q., Marhaba, T., Zhang, W. Probing Surface Electrochemical Activity of Nanomaterials using a Hybrid Atomic Force Microscope-Scanning Electrochemical Microscope (AFM-SECM). J. Vis. Exp. (168), e61111, doi:10.3791/61111 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter