Phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua tế bào lỏng của các tinh thể nano bán dẫn
Hình minh họa các thí nghiệm LCTEM. Hình cắt ngang cho thấy một lớp nước mỏng chứa các tinh thể nano bán dẫn được kẹp giữa hai màng cacbon siêu mỏng của một cặp lưới TEM. Chùm điện tử đi qua nước và các lớp cacbon gây ra các phản ứng phân giải phóng xạ trong nước, sau đó kích hoạt các quỹ đạo khắc được ghi lại bằng LCTEM. Tín dụng: Tiến bộ Khoa học (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abq1700
Các tinh thể nano bán dẫn có kích thước và hình dạng khác nhau có thể chi phối các đặc tính quang và điện của vật liệu. Kính hiển vi điện tử truyền qua tế bào lỏng (LCTEM) là một phương pháp mới nổi để quan sát các biến đổi hóa học ở kích thước nano và thông báo sự tổng hợp chính xác của cấu trúc nano với các đặc điểm cấu trúc mong đợi. Các nhà nghiên cứu đang điều tra phản ứng của các tinh thể nano bán dẫn với phương pháp nghiên cứu môi trường phản ứng cao được tạo ra thông qua quá trình phân giải phóng xạ lỏng trong quá trình này.
Trong một báo cáo mới được công bố trên tạp chí Science Advances, Cheng Yan và một nhóm nghiên cứu về Hóa học và Khoa học Vật liệu tại Đại học California Berkeley, và Viện Kỹ thuật Bề mặt Leibniz, Đức, đã khai thác quá trình phân giải phóng xạ để thay thế quỹ đạo khắc hạt đơn của vật liệu nano bán dẫn nguyên mẫu. Các ống nano selenua chì được sử dụng trong quá trình làm việc thể hiện một cấu trúc đẳng hướng để giữ lại hình dạng khối để khắc thông qua cơ chế từng lớp. Các thanh nano cadmium selenua hình mũi tên dị hướng duy trì các mặt phân cực với các nguyên tử cadimi hoặc selen. Các quỹ đạo của kính hiển vi điện tử tế bào chất lỏng truyền qua đã tiết lộ cách phản ứng của các mặt cụ thể trong môi trường chất lỏng chi phối sự biến đổi hình dạng kích thước nano của chất bán dẫn.
Tối ưu hóa kính hiển vi điện tử truyền qua tế bào lỏng (LCTEM)
Các tinh thể nano bán dẫn chứa các đặc tính quang và điện có thể điều chỉnh rộng rãi phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chúng cho một loạt các ứng dụng. Các nhà khoa học vật liệu đã đặc trưng hóa khả năng phản ứng của các mặt tinh thể khối cụ thể đối với phản ứng tăng trưởng và ăn mòn để phát triển các mẫu tùy ý nhất trong quá trình xử lý bán dẫn số lượng lớn từ trên xuống. Nhiều khía cạnh của tinh thể nano và cơ chế phản ứng của chúng khiến chúng trở nên thú vị để điều tra trực tiếp. Nhiệt động lực học của các tinh thể nano dạng keo có thể ảnh hưởng đến các giao diện vô cơ-hữu cơ xác định chúng. Kính hiển vi điện tử truyền qua tế bào lỏng cung cấp độ phân giải không-thời gian cần thiết để quan sát các động lực học ở kích thước nano, chẳng hạn như quá trình tự lắp ráp. Do đó, nhóm nghiên cứu đã kẹp một túi nước chứa các tinh thể nano giữa các lớp carbon siêu mỏng của hai lưới hiển vi điện tử truyền qua và sử dụng tris (hydroxymethyl) aminomethane hydrochloride (tris · HCl), một phân tử hữu cơ để điều chỉnh sự ăn mòn của các tinh thể nano bán dẫn nhạy cảm.
Các nghiên cứu hiện tại về LCTEM và tinh thể nano chỉ giới hạn ở các kim loại quý do chúng không có khả năng điều chỉnh môi trường hóa học trong quá trình phân giải phóng xạ, khiến các vật liệu phản ứng bị phân hủy. Nghiên cứu gần đây cho thấy khả năng thiết kế môi trường mới cho LCTEM, để quan sát quỹ đạo khắc hạt đơn của các tinh thể nano phản ứng. Trong các thí nghiệm, phụ gia tris · HCl điều chỉnh thế điện hóa của quá trình ăn mòn, và nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình động học để ước tính nồng độ và thế điện hóa của các loại gốc amin trong tế bào chất lỏng.
Phim cho thấy sự ăn mòn của các tinh thể nano PbSe được quan sát thấy khi bên trong các túi chất lỏng là nước và Tris • 0,5H2SO4 đặc. Hai lần lặp lại được ghi lại ở 400 e- · Å-2 · s-1 một cách độc lập trong hai thí nghiệm LCTEM. Tín dụng: Science Advances, 10.1126 / sciadv.abq1700
Bằng chứng của khái niệm
Để chứng minh khái niệm, các nhà khoa học đã thu được hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua đại diện của một khối nano selenua chì trong chân không và thu thập một chuỗi hình ảnh thời gian trong quá trình khắc từng lớp của các tinh thể nano selenua chì. Kết quả của hình ảnh LCTEM cho thấy sự hình thành một chất có độ tương phản hình ảnh cao hơn xung quanh các tinh thể nano selenua chì là sản phẩm của phản ứng ăn mòn, có vẻ như trong quá trình ăn mòn, selen bị ôxy hóa và phân tán vào chất lỏng để tạo điều kiện hình thành clorua chì, với các ion clorua trong túi chì. Khi so sánh với mạng tinh thể lập phương của selenua chì, selenua wurzit cadimi đặc trưng cho một mạng tinh thể đẳng hướng với các lớp xen kẽ của các nguyên tử cadimi và selen. Trong quá trình phát triển của tinh thể nano cadmium selenua wurzit, các phối tử chất hoạt động bề mặt liên kết thuận lợi với các vùng cadimi để tạo điều kiện cho các vùng selen tăng trưởng nhanh.
Yan và cộng sự. đã trình bày cấu trúc của các thanh nano cadmium selenua được phân giải thông qua kính hiển vi điện tử quét trường tối hình khuyên góc cao trong môi trường chân không. Các nhà khoa học đã tạo ra những hình ảnh này bằng cách thu thập các điện tử phân tán lên cao
góc của các nguyên tử trong vật liệu để phát triển độ tương phản hình ảnh theo độ dày khối lượng, trong đó cadmium sáng hơn selen. Tương tự, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm ăn mòn tại chỗ trên các thanh nano cadmium selenua hình mũi tên.
Đặc điểm cấu trúc và quỹ đạo ăn mòn của thanh nano CdSe. (A) Hình ảnh AC-HAADF-STEM của thanh nano wurtzite CdSe được chiếu dọc theo trục vùng [110] (bên trái). Phần gắn trong được phóng to (trên cùng bên phải) xác minh cực tính của thanh nano: Đầu của thanh được kết thúc bằng Se (màu xanh lá cây), trong khi phía dưới được kết thúc bằng Cd (màu hồng). Biểu đồ đường của cường độ HAADF-STEM trong đoạn bóng mờ (bên trái) được chiếu dọc theo trục [00] được bao gồm ở phía dưới bên phải. (B) Hình ảnh TEM của một thanh nano được định hướng dọc theo trục c cho thấy hình chiếu lục giác. (C) Các mô hình mạng của thanh nano CdSe được chiếu dọc theo trục [110] (trái) và cấu trúc cắt ngắn (phải) được hình thành bằng cách khắc có chọn lọc các mặt kết thúc Se. (D và E) Ảnh LCTEM trôi đi theo thời gian được ghi lại ở tốc độ di chuyển electron lần lượt là 400 e− Å − 2 s − 1 (D) và 2000 e− Å − 2 s − 1 (E). (F) Hình ảnh LCTEM thể hiện khoảng cách d đặc trưng của {0002} mặt phẳng mạng. (G và H) Phác thảo của các tinh thể nano được vẽ với khoảng cách thời gian bằng nhau để minh họa các hình dạng đang phát triển và độ cong cục bộ của các thanh nano CdSe ở 400 e− Å − 2 s − 1 (G) và 2000 e− Å − 2 s − 1 (H ), tương ứng. (I) Các ô phụ thuộc thời gian của vùng được khắc tương đối được chuẩn hóa thành vùng được chiếu của thanh nano CdSe tại khung bắt đầu. Tín dụng: Tiến bộ Khoa học (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abq1700
Đặc điểm cấu trúc và quỹ đạo ăn mòn của ống nano PbSe. (A) Hình ảnh TEM tĩnh đại diện của một khối nano PbSe được định hướng dọc theo trục vùng [100]. (B) Mô hình nguyên tử của một khối nano PbSe bị cắt ngắn để lộ các khía cạnh khác nhau. (C) Hình ảnh LCTEM được chụp gần cuối của quỹ đạo khắc, thể hiện khoảng cách d đặc trưng của {200} mặt phẳng mạng PbSe. (D và E) Ảnh LCTEM trôi đi theo thời gian được ghi lại ở tốc độ di chuyển electron lần lượt là 400 e− Å − 2 s − 1 (D) và 2000 e− Å − 2 s − 1 (E). (F và G) Phác thảo của các tinh thể nano được vẽ với khoảng cách thời gian bằng nhau để minh họa các hình dạng tiến hóa và độ cong cục bộ của các tinh thể nano PbSe được ghi lại ở 400 e− Å − 2 s − 1 (F) và 2000 e− Å − 2 s − 1 ( G), tương ứng. (H) Sơ đồ của cơ chế ăn mòn từng lớp, tiến hành thông qua chất trung gian sân thượng. (I) Các ô phụ thuộc thời gian của vùng được khắc tương đối được chuẩn hóa thành vùng được chiếu của khối nano PbSe tại khung bắt đầu. Tín dụng: Tiến bộ Khoa học (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abq1700
Đặc điểm cấu trúc và quỹ đạo ăn mòn của thanh nano CdSe. (A) Hình ảnh AC-HAADF-STEM của thanh nano wurtzite CdSe được chiếu dọc theo trục vùng [110] (bên trái). Phần gắn trong được phóng to (trên cùng bên phải) xác minh cực tính của thanh nano: Đầu của thanh được kết thúc bằng Se (màu xanh lá cây), trong khi phía dưới được kết thúc bằng Cd (màu hồng). Biểu đồ đường của cường độ HAADF-STEM trong đoạn bóng mờ (bên trái) được chiếu dọc theo trục [00] được bao gồm ở phía dưới bên phải. (B) Hình ảnh TEM của một thanh nano được định hướng dọc theo trục c cho thấy hình chiếu lục giác. (C) Các mô hình mạng của thanh nano CdSe được chiếu dọc theo trục [110] (trái) và cấu trúc cắt ngắn (phải) được hình thành bằng cách khắc có chọn lọc các mặt kết thúc Se. (D và E) Ảnh LCTEM trôi đi theo thời gian được ghi lại ở tốc độ di chuyển electron lần lượt là 400 e− Å − 2 s − 1 (D) và 2000 e− Å − 2 s − 1 (E). (F) Hình ảnh LCTEM thể hiện khoảng cách d đặc trưng của {0002} mặt phẳng mạng. (G và H) Phác thảo của các tinh thể nano được vẽ với khoảng cách thời gian bằng nhau để minh họa các hình dạng đang phát triển và độ cong cục bộ của các thanh nano CdSe ở 400 e− Å − 2 s − 1 (G) và 2000 e− Å − 2 s − 1 (H ), tương ứng. (I) Các ô phụ thuộc thời gian của vùng được khắc tương đối được chuẩn hóa thành vùng được chiếu của thanh nano CdSe tại khung bắt đầu. Tín dụng: Tiến bộ Khoa học (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abq1700
Đặc điểm cấu trúc và quỹ đạo ăn mòn của ống nano PbSe. (A) Hình ảnh TEM tĩnh đại diện của một khối nano PbSe được định hướng dọc theo trục vùng [100]. (B) Mô hình nguyên tử của một khối nano PbSe bị cắt ngắn để lộ các khía cạnh khác nhau. (C) Hình ảnh LCTEM được chụp gần cuối của quỹ đạo khắc, thể hiện khoảng cách d đặc trưng của {200} mặt phẳng mạng PbSe. (D và E) Ảnh LCTEM trôi đi theo thời gian được ghi lại ở tốc độ di chuyển electron lần lượt là 400 e− Å − 2 s − 1 (D) và 2000 e− Å − 2 s − 1 (E). (F và G) Phác thảo của các tinh thể nano được vẽ với khoảng cách thời gian bằng nhau để minh họa các hình dạng tiến hóa và độ cong cục bộ của các tinh thể nano PbSe được ghi lại ở 400 e− Å − 2 s − 1 (F) và 2000 e− Å − 2 s − 1 ( G), tương ứng. (H) Sơ đồ của cơ chế ăn mòn từng lớp, tiến hành thông qua chất trung gian sân thượng. (I) Các ô phụ thuộc thời gian của vùng được khắc tương đối được chuẩn hóa thành vùng được chiếu của khối nano PbSe tại khung bắt đầu. Tín dụng: Tiến bộ Khoa học (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abq1700
Quỹ đạo ăn mòn của tinh thể nano wurtzite CdSe nhìn dọc theo trục [000]. (MỘT ) Ảnh LCTEM thời gian trôi đi được ghi lại ở 400 e− Å − 2 s − 1. (B) Mô hình nguyên tử của tinh thể nano CdSe với mặt (000) hướng lên trên. (C) Biểu đồ phụ thuộc vào thời gian của tỷ lệ điện tử trung bình được phát hiện trong các phân đoạn được mã hóa màu khác nhau (phần trong) của ảnh LCTEM. Màu xám tương ứng với vùng nền bao quanh tinh thể nano. (D) Hình minh họa 3D về quá trình ăn mòn cho thấy rằng sự ăn mòn có chọn lọc của mặt Se-end (000) làm cho đầu nhọn biến đổi thành một hố lõm trong tinh thể nano. Tín dụng: Tiến bộ Khoa học (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abq1700
Quan điểm
Bằng cách này, Cheng Yan và các đồng nghiệp đã sử dụng kính hiển vi điện tử tế bào lỏng (LCTEM) để cho thấy khả năng kiểm tra trực tiếp khả năng phản ứng phụ thuộc vào khía cạnh của các tinh thể nano dạng keo ở kích thước nano. Phương pháp đưa ra quỹ đạo cấu trúc liên tục, thời gian thực, trái ngược với các phương pháp cổ điển. Nghiên cứu hiện tại đã nêu bật tác động của việc đưa vào hoặc loại bỏ các phối tử đối với quá trình tự lắp ráp và ăn mòn của các tinh thể nano trong các thí nghiệm LCTEM.
Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra cách các vật liệu nano nhạy cảm như selenua chì có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng LCTEM và nhấn mạnh việc bao gồm các chất phụ gia hữu cơ như tris · HCl để điều chỉnh môi trường ôxy hóa khử phóng xạ trong kính hiển vi điện tử tế bào lỏng. Các nghiên cứu trong tương lai có thể cho phép tiềm năng thu được thông tin thời gian thực về sự biến đổi của một loạt các cấu trúc nano chức năng với độ phức tạp ngày càng tăng bằng cách sử dụng các tinh thể nano lõi / vỏ, cũng như các tinh thể được lắp ráp thông qua các giao diện vô cơ-hữu cơ.
