原位液相透射電子顯微鏡及其在納米粒子表征方面的應用*

劉玄玄 國洪軒? 徐濤 尹奎波 孫立濤?

1) (東南大學電子科學與工程學院, MEMS 教育部重點實驗室, 南京 210096)

2) (東南大學FEI 納皮米中心, 南京 210096)

3) (東南大學微電子學院, 無錫 214000)

1 引 言

透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)自20 世紀30 年代被發(fā)明以來, 被廣泛應用于材料、物理、化學、地質(zhì)、環(huán)境, 以及生命科學等領(lǐng)域的研究.優(yōu)秀的分辨率和豐富的表征能力, 使得TEM 成為表征研究中重要的工具.然而,由于TEM 中電子光學系統(tǒng)和探測技術(shù)的限制, 對于樣品具有較高的要求—傳統(tǒng)的TEM 樣品以固體和干燥樣品為主, 限制了傳統(tǒng)TEM 的應用范圍.盡管自TEM 發(fā)明早期開始, 研究者就開展了對于液體樣品的表征研究[1], 但液體樣品TEM 并未廣泛應用[2].其主要的原因是受限于TEM 自身分辨率和樣品制備技術(shù)的限制, 往往電子束受到樣品保護層材料較大的散射而降低了分辨率.基于以上原因, 對于液體樣品普遍采用樣品冷凍或者干燥后觀測表征.這些方法雖然能夠取得較高的分辨率, 但是相變處理后的樣品往往發(fā)生性質(zhì)的變化,限制了相關(guān)技術(shù)的應用和發(fā)展.

迄今為止, 能夠有效實現(xiàn)液體環(huán)境TEM 觀測的方法大致有3 種, 如圖1 所示.第1 種是通過構(gòu)建差分真空系統(tǒng), 在樣品臺附近允許一定量的液體或高飽和蒸汽存在[3].這種方法可以適用于多種液體環(huán)境, 但是差分真空系統(tǒng)作為TEM 的配件, 價格昂貴, 維護成本較高.第2 種是采用較低飽和蒸氣壓的離子液體, 例如[1-丁基-1-甲基吡咯烷酮雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺(P14TFSI)][4], [1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰)亞胺(C2mim-TFSI)][5]等.這種技術(shù)與現(xiàn)有的TEM 兼容性好, 但是只能限于研究特殊的離子液體, 而對于科研中更為常見的多種有機無機液體環(huán)境不能滿足.第3 種是通過制備封閉式液體腔室(liquid cell), 將液體與真空系統(tǒng)隔絕開[6-9].相比于前兩類, 封閉式液體腔實用性更廣泛, 可開發(fā)性強, 便于操作和改進, 因此應用更為廣泛.本文重點介紹基于封閉式液體腔技術(shù)的原位液相透射顯微技術(shù).

圖1 三類液體環(huán)境TEM 實現(xiàn)方式示意圖 (a)基于差分泵真空系統(tǒng)TEM 結(jié)構(gòu)示意圖[3]; (b), (c) 基于離子液體構(gòu)建的液體環(huán)境TEM 實驗裝置示意圖[4]; (d) 基于液體腔構(gòu)建的液體環(huán)境TEM 實驗裝置示意圖; (e), (f)基于微納加工制備的氮化硅窗口液體腔結(jié)構(gòu)示意圖[6,7]; (g), (h)基于石墨烯窗口的液體腔結(jié)構(gòu)示意圖[8,9]Fig.1.Schematic diagrams of three typical methods to observe liquid sample by TEM: (a) Environment TEM based on differential pump system[3]; (b), (c) observation of the ionic liquid sample by TEM[4]; (d) schematic diagram of closed liquid cell for TEM observation; (e), (f) schematic diagrams of the liquid cell with the silicon nitride window[6,7]; (g), (h) schematic diagrams of the liquid cell with the graphene window[8,9].

21 世紀初, TEM 的分辨率由于技術(shù)的進步而得到明顯的提高, 達到了0.1 nm[10].加之微納加工制造技術(shù)的進步, 使得生產(chǎn)制造用于封存液體樣品的微型液體腔成為可能.液體腔的出現(xiàn)使得TEM在液體環(huán)境中得到了原子級分辨率[11].在近年來,液體環(huán)境透射電鏡成為一個快速發(fā)展的領(lǐng)域, 已發(fā)表的研究成果涉及納米粒子的形核和生長[7-20]、納米粒子在溶液中的運動[21-24]、電化學驅(qū)動的反應[6,25-29]、生物醫(yī)學[30-33]、鋰電池[34-39]、氧化刻蝕[40-42]、催化[43]等領(lǐng)域.各種精巧自制的液體腔一再優(yōu)化了液體環(huán)境電鏡的性能, 極大促進了相關(guān)研究的發(fā)展.

本文首先介紹液體腔的設(shè)計要求, 然后介紹液體腔的發(fā)展和典型的制備工藝, 最后介紹近年來液體腔TEM 在納米粒子成核和生長方面的應用研究, 并探討了該技術(shù)前沿發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和機遇.

2 液體腔的設(shè)計要求

在目前已發(fā)表的研究成果中, 常見的液體腔基本結(jié)構(gòu)大致如圖2 所示.使用兼容于現(xiàn)有的TEM樣品桿的芯片技術(shù), 利用窗口薄膜包裹待觀測液體和樣品, 將液體樣品與TEM 設(shè)備的真空環(huán)境隔離.同時, 膜材料及厚度、隔離材料和密封方法的選擇在每種情況下具有各自的特點.具體的分類和特點本文第3 節(jié)將會詳述.本節(jié)基于液體環(huán)境實驗表征的特點, 總結(jié)了液體腔的基本設(shè)計要求.

圖2 典型的液體腔基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic diagram of the structure of a typical liquid cell.

提高圖像分辨率和減小電子束效應是液體腔設(shè)計的兩個主要問題.在許多液體腔TEM 實驗中,圖像分辨率低是一個明顯的問題.通常, 液體樣品的空間分辨率受兩個因素限制, 第1 個是特定樣品的允許劑量率, 第2 個是可以達到的對比度水平.這些參數(shù)確定最大信噪比, 并因此確定分辨率極限[44].對于第1 個因素需要考慮電子束效應的影響, 選擇合適的電子劑量.而第2 個因素中分辨率降低主要是由于電子在液體層和窗口材料中多次散射而造成的損失.對于液體腔來說, 液體層和液體腔窗口的厚度, 決定了電子發(fā)生散射的可能性.通常情況下, TEM 樣品的厚度限制約為100 nm,因此窗口材料的厚度對圖像分辨率具有很大影響.相比于減小液體層的厚度, 更希望減小窗口材料的厚度, 因為過小的液體體積會影響液體環(huán)境的真實性[45], 例如超薄液體層的布朗運動可能會有所不同, 過薄的液體樣品與宏觀液體材料的結(jié)構(gòu)存在偏差, 過薄的液體腔不能容納復雜結(jié)構(gòu)的樣品等.一般來說減小窗口厚度可提高圖像質(zhì)量, 但減薄窗口材料的同時會因為內(nèi)外壓差導致薄膜撓度增大, 影響觀測結(jié)果[46].減小窗口寬度雖然可以減小窗口材料的撓度, 但是在大多數(shù)實驗中, 并不希望犧牲觀察區(qū)域, 因為過小的腔體會影響液體內(nèi)部的信息真實性, 例如在電化學生長中, 擴散梯度控制著過程的動力學, 過程產(chǎn)生的結(jié)果與有限體積相關(guān), 因此有必要計算有限體積的影響.

此外, 對于分辨率的優(yōu)化還可以利用像差和色差矯正的方法, 如Niels 等[47]的研究表明, 球差校正(spherical aberration correction)可以提供更好的圖像解釋性, 色差校正(chromatic aberration correction)可以為較厚的樣品提供更高的劑量效率.他們的工作系統(tǒng)全面地綜述了影響液體腔TEM 分辨率的因素, 并對應地提出了提高分辨率的方法.

總的來說, 提高分辨率是促進液體腔TEM 研究發(fā)展的重要因素.一方面, 可以通過合理的設(shè)計液體腔結(jié)構(gòu), 進一步優(yōu)化對成像的影響; 另一方面,可以通過結(jié)合像差矯正和能量過濾的方式, 優(yōu)化成像質(zhì)量.

電子束的影響是液體腔設(shè)計不可忽略的另一因素.其中, 最主要的影響來自電子束的輻照作用,以電子顯微鏡所用的能量, 電子束會引起包括水在內(nèi)的液體的輻射分解[48-51].對于適合于TEM 的條件, 電子束會將水輻解為氫離子、羥基自由基、水合電子、氫自由基、氫氣和氧氣等物質(zhì)[52].計算表明在幾秒鐘內(nèi)輻射分解產(chǎn)物在受輻照區(qū)域達到平衡濃度, 這些濃度取決于電子劑量率、照射面積、液體厚度和總液體體積, 并可能影響所研究的結(jié)構(gòu)或過程[53].輻射產(chǎn)生的氫氣和氧氣等混合氣體可能超過其溶解度極限, 并形成氣泡[54,55], 從而改變了液體的幾何形狀.同時, 有研究表明氣泡的存在可以減小液體層的厚度, 從而提高空間分辨率[56].此外, 輻解產(chǎn)生的水合電子會將溶液中的金屬陽離子還原, 氫離子以及水合氫離子則會改變?nèi)芤旱膒H 值[57].綜合而言, 輻射分解物質(zhì)可能具有復雜的作用, 要了解具有多種溶解物質(zhì)的溶液以及非水溶液中的電子束效應, 需要以輻射物理學的知識為指南做大量工作.雖然有研究表明可以通過添加清除劑等清除策略減輕電子束效應[58], 但是幾乎所有的液體TEM 實驗都不能忽略高能電子輻射作用的影響.通過合理的設(shè)計液體腔能夠減小電子束輻解的影響, 例如將液體腔設(shè)計成可與外界進行物質(zhì)交換的流通式結(jié)構(gòu), 能夠通過引入新成分從而有效減小電子束對溶液輻解的影響.此外, 特殊的窗口材料如石墨烯及其衍生物對于自由基的抑制和清除也有一定作用[59].

電子束對樣品的影響除了引起輻解效應之外,造成的樣品加熱同樣不可忽略, 尤其在生物樣品中, 局部加熱會對生物樣品造成損傷[60].可以通過降低電子束劑量、選擇流通式結(jié)構(gòu)液體腔或者集成降溫系統(tǒng)以改善局部溫度過高.此外, 有研究表明電子束會產(chǎn)生靜電荷, 富集在絕緣的窗口膜表面或者溶液納米顆粒表面, 這種電荷不僅會干擾入射電子束, 還會影響溶液中納米顆粒的運動[61].研究表明增大電子束電壓或者改變窗口膜, 例如導電的石墨烯膜, 可以有效改善靜電荷的產(chǎn)生.

與電子束效應的影響類似, 光輻照也會對成像產(chǎn)生一定的影響.在一些光催化反應和超快動力學方面的研究工作中, 往往需要引入激光或紫外線作為激發(fā)條件.Lu 等[43]的研究表明光激發(fā)電子與水質(zhì)子反應生成的H 原子, 在表面擴散而形成的表面殼, 并通過降低H2(H—H 鍵)形成的活化能來促進氫的生成.高能量的光束會在液體腔內(nèi)產(chǎn)生局部的高溫, 同時生成一些納米氣泡, 這些氣泡會在含有納米粒子的溶液中產(chǎn)生“雪犁效應(snowplough effect)”, 驅(qū)動納米粒子運動[62].如Fu 等[63,64]的研究認為納米氣泡的產(chǎn)生和消失是驅(qū)動納米粒子超快擴散的原因.雖然目前研究表明這些氣泡在光催化以及超快動力學研究中起著重要的作用, 同時其強度也不足以對液體腔造成結(jié)構(gòu)損傷, 但是其存在仍然像電子束輻照效應一樣在實驗中造成不必要的影響.

綜上所述, 適用于TEM 技術(shù)所用的液體腔主要采用現(xiàn)有的微加工技術(shù)制備.對于液體腔的設(shè)計, 基本從膜材料及厚度、隔離材料和密封方法方面考慮.其中液體腔窗口材料需要綜合以下幾個方面: 1)機械強度; 2)電子穿透性; 3)結(jié)構(gòu)可塑性;4)物理抗?jié)B性; 5)化學穩(wěn)定性等[65].對于隔離材料或者結(jié)構(gòu), 能夠?qū)崿F(xiàn)高度精確可控并且不影響液體腔內(nèi)實驗是典型設(shè)計的追求目標.目前, 適用于TEM的原位液體腔主要采用微機電系統(tǒng)(microelectromechanical systems, MEMS)制備工藝完成.密封方法要求保證對于整體液體環(huán)境的密閉性能, 目前主要采用鍵合或者膠合的工藝完成.

3 液體腔制備技術(shù)的發(fā)展

3.1 氮化硅液體腔

液體腔的設(shè)計可以追溯到1930 年代, 但是廣泛的研究應用是從21 世紀初才開始的.按照窗口膜材料分類, 常用的液體腔可以分為兩類: 一類是氮化硅窗口膜, 另一類是石墨烯窗口材料.此外,氧化硅[30], 二硫化鉬[66]和碳膜[20,67,68]也曾被用來作為窗口材料.

近年來氮化硅窗口液體腔的發(fā)展情況如圖3所示.2003 年, Tromp 等[6]設(shè)計出了帶有氮化硅窗口的液體腔結(jié)構(gòu), 引導了高分辨率液體腔設(shè)計的方向.因為氮化硅堅固耐用且易于根據(jù)標準硅加工技術(shù)制造, 所以基于氮化硅等材料為基礎(chǔ)的液體腔設(shè)計成為設(shè)計的主流.近年來, 提高分辨率和可靠性問題是液體腔設(shè)計遵循的方向, 設(shè)計了一系列新型的液體腔.在此技術(shù)路線下, 液體腔TEM 的分辨率提高主要是通過減薄窗口材料和間隔層完成.2009 年, Jonge 等[31]將氮化硅薄膜減薄至50 nm,并采用10 μm 厚的聚苯乙烯微球作為間隔材料,實現(xiàn)了4 nm 的空間分辨率.同年, Zheng 等[7]設(shè)計了一種超薄氮化硅窗口液體腔, 薄膜厚度僅為25 nm, 實現(xiàn)了亞納米的分辨率, 并使用黏性金屬銦作為底部芯片和頂部芯片之間的隔離層, 獲得100 nm 的液體層.2011 年, Evans 等[12]通過減小間隔層厚度首次實現(xiàn)了原子級空間分辨率.2014 年,Liao 等[11]將氮化硅薄膜厚度進一步減小至10 nm左右, 同樣實現(xiàn)了原子級分辨率成像.

圖3 氮化硅窗口液體腔的發(fā)展情況Fig.3.The development of the silicon nitride window liquid cell.

基于微納加工的方法制備液體腔具有較好的可操作性和可重復性.其中, 微納加工制備的基本步驟大致包括: 制作薄層窗口膜、制作支撐結(jié)構(gòu)、設(shè)置電極或其他裝置、密封液體腔等.液體腔的基本結(jié)構(gòu)如圖4(a), (c)所示, 液體腔通常只有幾十至幾百納米厚, 由間隔物支撐兩個薄而堅固的窗口膜密封構(gòu)成.

典型的制作工藝步驟如圖4(b)所示.通?？梢詫⒁后w腔分為上晶片和下晶片兩部分, 對于下晶片的制作過程如下: 首先在硅基底上通過低壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)沉積一定厚度(膜厚幾十到幾百納米)的低應力氮化硅薄膜作為窗口材料, 然后再沉積一層二氧化硅, 其厚度將作為液體層的高度.在氮化硅上通過光刻和反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)刻蝕出窗口區(qū)域.然后通過緩沖氧化物刻蝕液(buffered oxide etch, BOE)在二氧化硅表面刻蝕圖案留下一部分二氧化硅, 作為低應力氮化硅薄膜的支撐, 最后通過氫氧化鉀溶液濕法各向異性刻蝕掉多余的硅基底, 留下薄層氮化硅窗口, 窗口通常為矩形, 寬度為幾十微米, 長度超過100 μm.上晶片的制備過程與下晶片制備過程類似, 最后將兩片刻蝕好的碗狀結(jié)構(gòu)晶片背靠背固定密封起來.

通過優(yōu)化間隔材料和精確控制液體層厚度可以提高液體腔的可靠性.二氧化硅[6]、環(huán)氧樹脂[6]、聚苯乙烯微球[31]、銦[11,69]、聚合物 O 圈[70]、直接鍵合[71]、一體化設(shè)計[46]等都可實現(xiàn)密封或支撐作用.其中2008 年, Franks 等[70]提出一種利用聚合物O圈, 代替環(huán)氧樹脂進行密封的新方式.目前, 由于采用O 圈密封液體腔操作簡單, 可重復使用, 且不會對樣品帶來污染, 是商業(yè)化液體腔中最常用的密封方式.

除此之外, 根據(jù)不同實驗環(huán)境的要求, 在原有液體腔的基礎(chǔ)上, 基于微納加工技術(shù)將其他功能集成到芯片上, 設(shè)計出進行簡單控制的原位微納實驗平臺.如設(shè)計電極[6,26]、流動式液體腔[71]、加熱控溫[72]、低溫控制[73]等.可以在液體池內(nèi)對電極進行圖案化, 從而借助特殊的樣品架實現(xiàn)電化學反應的原位表征, 該樣品架在電極與外部控制器之間進行電連接.液體腔集成電極的設(shè)計主要應用于加熱系統(tǒng)、電化學、電池以及電催化等方面的相關(guān)研究.目前商用的原位液相電化學樣品桿的電壓范圍主要取決于電化學工作站的電壓范圍, 通常在 ± 10 V左右.如圖5(a)所示, Tromp 等[6]設(shè)計的帶有電極的液體腔結(jié)構(gòu), 以研究銅納米團簇的電化學成核和生長.窗口膜是100 nm 厚度的氮化硅薄膜, 從背面蝕刻以留下100 μm × 100 μm 大小的氮化硅觀察窗口.在下晶片上沉積一層0.5—1.0 μm 厚的二氧化硅, 通過光刻刻蝕工藝留下二氧化硅O 環(huán)在晶片之間作為支撐材料.然后在下晶片上圖案化多晶金工作電極, 晶片間用環(huán)氧樹脂密封器件.該設(shè)計中加入電極, 為電化學領(lǐng)域?qū)嶒炘谠灰后w環(huán)境電鏡中開展提供了方案.上晶片包括兩個儲集層, 保證了液體腔液體濃度和劑量.另一種能夠有效保持溶液濃度和劑量的設(shè)計是采用流通式液體腔[31].

圖4 典型的TEM 原位液體腔制作工藝步驟示意圖 (a) 液體腔的基本結(jié)構(gòu)圖, 為方便結(jié)構(gòu)解析, (b), (c) 沿黑色虛線剖面結(jié)構(gòu);(b) 典型的制作工藝步驟, 通過不同工藝分別制作上下兩部分結(jié)構(gòu), 最后組裝成(c)結(jié)構(gòu); (c) 液體腔的基本結(jié)構(gòu)圖剖面圖Fig.4.Typical TEM liquid cell manufacturing process: (a) The structure diagram of the liquid cell, where description (b) and(c) are cross-sectional diagram drawn along the black dash; (b) typical manufacturing process steps, the upper and lower parts are made by different processes structure, finally assembled into (c) the structure of the liquid cell with the cross-sectional view.

圖5 附加功能的液體腔結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 附加電極的流動式液體腔結(jié)構(gòu)示意圖[6]; (b) 附加加熱功能的液體腔結(jié)構(gòu)示意圖[72]Fig.5.Liquid cell with additional functions: (a) Fluidic liquid cell with electrodes[6]; (b) liquid cell with heater[72].

另外, 在一些實驗中, 對于液體環(huán)境溫度要求較為苛刻, 為此有研究人員通過微納加工技術(shù)集成加熱元件, 從而觀察溫度相關(guān)的現(xiàn)象.如圖5(b)所示, 該設(shè)計采用四線制的電阻元件用于加熱和溫度控制.其中, 兩根導線用于電偏置和耦合熱反饋,另外兩根導線連接到儀表放大器, 用于測量電阻元件上的電壓.目前商業(yè)的原位液相樣品桿也是通過集成電極或者鎢絲進行加熱控制, 其溫度范圍可以高達1000 ℃以上.過高的溫度會使液體樣品氣化, 因此液體腔原位加熱一般不超過200 ℃[65].類似這種加入溫度控制能力的液體腔, 能夠在納米尺度上獲得實時溫度對過程動力學影響的信息.在材料科學領(lǐng)域, 可以通過循環(huán)溫度提供一種快速的方法來優(yōu)化液相合成, 或確定溫度對納米結(jié)構(gòu)的生長或結(jié)構(gòu)化的影響, 從而最終影響其物理和化學性質(zhì)[74].在生命科學和生物醫(yī)學領(lǐng)域, 為保持生物樣本的活性, 往往需要特定的溫度環(huán)境, 集成了溫度控制系統(tǒng)的液體腔拓展了在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用.除了集成加熱系統(tǒng)的設(shè)計, 原位液相電鏡也可以集成低溫控制系統(tǒng).如Tai 等[73]的研究中, 利用低溫液氮通過溫度傳導至樣品腔實現(xiàn)低溫控制, 同時通過加溫系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度.這種低溫設(shè)計可以將溫度降低至約77 K, 對于液態(tài)樣品原位相變過程的表征提供了可靠的方法, 目前商用的原位液相樣品桿也是采用這種設(shè)計.總之, 原位液相電鏡的溫度控制范圍十分廣泛, 可以滿足液態(tài)樣品的相變研究.

通過微納加工技術(shù)制造的氮化硅液體腔可以直接應用于TEM, 具有便捷的可操作性.對于一些特殊應用環(huán)境, 可以通過微納加工手段集成化,具有很強的可開發(fā)性.雖然觀察窗口區(qū)域的微量液體體積有限, 大概在皮升量級, 但是微納加工的液體腔, 往往在可觀測區(qū)域外有更大容積的存儲液體區(qū)域, 或與外界流通.因此, 其實際容積要大得多,確保了觀測區(qū)域溶液的穩(wěn)定性.目前, 商用微納加工制備的液體腔容積大約在納升量級, 流通式液體腔的總流量可以達到微升量級.因此, 基于微納加工技術(shù)制造的液體腔仍然是液體電子顯微鏡的主流設(shè)計方案.近年來, 越來越多的課題組投入到液體電子顯微鏡的相關(guān)研究中, 對液體腔集成了更多的功能, 使得液體腔的應用范圍越來越廣泛.

3.2 石墨烯液體腔

除了最常使用的氮化硅作為窗口材料之外, 石墨烯作為二維材料, 因其單原子厚度對電子束散射極小, 同時具有超強的機械特性, 物理抗?jié)B性和化學穩(wěn)定性, 而成為理想的窗口材料[75].2012 年,Yuk 等[8]最早應用石墨烯作為窗口材料, 使用雙層石墨烯包裹液體形成液體腔, 進行了Pt 納米晶體的生長和動力學研究.他們使用球差校正TEM直接觀察到了Pt 納米晶體在原子水平上的聚合和定向附著的步驟.如圖6 所示, 給出了常用的制備流程.最終形成如圖7(a)所示單純由兩側(cè)石墨烯包裹制作而成的液體腔結(jié)構(gòu).

1)石墨烯是通過化學氣相沉積在銅箔襯底上生長的, 然后轉(zhuǎn)移到具有穿孔非晶碳載體的金TEM網(wǎng)格上;

2)將兩個石墨烯沉積的TEM 網(wǎng)格疊加, 然后在一端滴下溶液, 在另一端吸去多余的溶液, 液體與膜接觸時, 由于范德瓦耳斯力作用, 使兩膜之間的接觸面積最大化, 從而將少量殘留的液體壓入微米或納米級的囊中, 干燥后殘留的溶液被包裹在兩個石墨烯膜之間;

3)毛細作用力使石墨烯膜變形并使膜從一個TEM 網(wǎng)格上脫離, 形成一個石墨烯封閉的液體袋,該液體袋僅附著在一個TEM 網(wǎng)格上, 石墨烯片之間的范德瓦耳斯力足夠強, 可以密封液體, 防止其泄漏到真空中[76].

圖6 典型的石墨烯液體腔制作工藝步驟示意圖 (a) 兩個石墨烯沉積的TEM 網(wǎng)格相互疊加; (b) 滴加溶液并吸去多余的溶液;(c) 少量殘留的液體壓入微米或納米級的囊中; (d) 移除上層TEM 網(wǎng)格Fig.6.Typical manufacturing process of the graphene liquid cell: (a) Two graphene deposited TEM grids are superimposed; (b) extra solution is removed by suction after dropping; (c) solution is entrapped between two graphene membranes after drying; (d) top TEM grid is removed.

圖7 兩種典型的石墨烯液體腔結(jié)構(gòu)示意圖 (a)石墨烯液體腔結(jié)構(gòu)示意圖; (b)硅基-石墨烯液體腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7.Schematic diagram of two typical graphene liquid cell structures: (a) Graphene liquid cavity structure; (b) silicon-based graphene liquid cavity structure.

與此類似, Sun 等[20,67,68]利用碳膜作為窗口材料制備液體腔的過程更為方便, 將溶液夾在兩個碳膜覆蓋的TEM 柵格表面之間后, 通過自然干燥即可在范德瓦耳斯力的作用下導致少量溶液被密封在液體腔中.這種液體腔同樣獲得了原子級的高分辨率.

盡管從原理上很簡單, 但是實際的操作并不容易完成.關(guān)于石墨烯膜的制備、轉(zhuǎn)移和組裝, Textor等[77]曾有過系統(tǒng)而全面的總結(jié).目前, 許多石墨烯液體腔的相關(guān)工作也大多采用這種結(jié)構(gòu)[32,39,78], 取得了前所未有的高分辨率, 但其也有明顯的缺點:第一, 液體腔的形狀、體積、位置等是隨機的; 第二, 石墨烯包裹只能封存有限的少量液體, 約小于0.01 pL, 遠小于基于微納加工制備的液體腔結(jié)構(gòu)的容積[60]; 第三, 由于可控性不強, 這意味著它無法集成液體循環(huán)或施加電偏壓等功能.因此, 石墨烯液體腔的應用受到很大局限性.

為改善石墨烯可塑性和可控性差的限制,Rasool 等[9]提出一種改進的石墨烯液體腔, 該設(shè)計基于以石墨烯為窗口材料, 硅或氮化硅為支撐材料的新型液體池設(shè)計, 優(yōu)化了兩者的優(yōu)勢結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示, 硅或氮化硅通過微納加工技術(shù)刻蝕出穿孔硅, 再與石墨烯層組裝制成.這種石墨烯與氮化硅結(jié)合的結(jié)構(gòu)既利用了石墨烯作為窗口材料, 又利用微納加工制造了可控的硅基腔體和支撐材料[79].但在控制石墨烯和集成附加功能上仍然無法達到很好的效果.

總之, 與通過微納加工制作的液體腔相比, 石墨烯液體腔通?？梢詫崿F(xiàn)更好的分辨率, 這是因為窗口材料的散射較少.同時, 它的另一個優(yōu)點是不需要昂貴的專用樣品架.但是, 該技術(shù)目前受到本身可控性的影響, 應用領(lǐng)域并不廣泛, 液體腔電子顯微鏡仍然以微納加工制造為主.

4 液體中納米粒子的表征

在納米材料領(lǐng)域, 一方面許多新合成材料往往會帶來新的性能, 然而在分子水平上理解其性能的本質(zhì)卻很困難, 另一方面納米材料的微觀可控生長是調(diào)控材料宏觀性能的關(guān)鍵.因此, 對于納米粒子的成核與生長機理的研究尤為重要.在液體腔的應用之前, 關(guān)于納米粒子成核與生長的觀測無法得到完整連續(xù)的過程觀測, 只能通過理論推導以及由合成結(jié)構(gòu)推斷生長過程, 缺少合理有效的表征手段導致無法對其控制機制深層認識.

液體環(huán)境TEM 的出現(xiàn)提供了對液體中納米粒子演化過程表征的機會.首先, 液體環(huán)境TEM的空間分辨率滿足表征要求.從空間分辨率方面,液體環(huán)境TEM 的空間分辨率已達到原子級, 能夠表征納米粒子的成核與生長過程.從時間分辨率方面,快速直接電子檢測相機(direct electron detection camera, DDC)的成像速度達到了每秒1600 幀, 這種超高時間分辨率能夠記錄亞毫秒級的相變過程[80].其次, 液體腔及其環(huán)境滿足溶液中納米粒子成核和生長的條件.液體中納米粒子的成核和生長需要一定的激發(fā)條件.對于流通式液體腔, 可以直接通過添加還原劑促成成核與生長過程.對于封閉的液體腔通常通過加熱蒸發(fā)、電激發(fā)、光激發(fā)和電子束激發(fā)等方式激發(fā)成核與生長, 其中最常用的是電子束的直接激發(fā).電子束對溶液的輻解效應, 以水溶液為例, 電子束對水分子的輻解作用會引入水合電子、羥基自由基和氫自由基等, 在不同的電子束劑量下產(chǎn)生不同濃度的輻解產(chǎn)物, 與前驅(qū)液的組分共同作用, 激發(fā)溶液中的氧化還原反應[48-50,53].下面介紹近年來, 液體環(huán)境TEM 在液體中納米粒子表征的突出作用.某個自由能勢壘, 該勢壘是由降低的體積自由能(添加原子或分子后化學勢的負變化)與增加的表面自由能(產(chǎn)生額外的固/液界面所需的能量)之間的競爭產(chǎn)生的.順利成核需要足夠大的密度波動, 使系統(tǒng)越過自由能勢壘, 然而并不清楚該演化過程.

盡管在液體環(huán)境TEM 下記錄了符合經(jīng)典成核理論的現(xiàn)象, 但是在一些稍復雜的成核生長實驗中, 納米粒子成核速率的理論值與實驗結(jié)果相差很大.因此, 一些研究提出了多步成核的非經(jīng)典模型以優(yōu)化成核過程[83,84].其中利用原位液體環(huán)境電鏡的實驗中也應證了多步成核過程.如圖9 所示,Loh 等[85]通過表征Au 和Ag 納米粒子的成核過程, 認為成核是多步過程: 首先, 由增幅(spinodal)分解將溶液分為貧金液相和富金液相; 然后, 在富金液相區(qū)域產(chǎn)生非晶態(tài)金納米團簇; 最后, 非晶態(tài)金納米團簇結(jié)晶.

圖8 金納米顆粒的成核過程的TEM 時序圖像[82] (a)-(d)金納米顆粒在溶液中的形核過程; (e)-(n) 選自(a)中黑框區(qū)域的成核情況, 圓圈標定的粒子在成核過程中溶解Fig.8.TEM time series images of the nucleation process of gold nanoparticles[82]: (a)-(d) Nucleation process of gold nanoparticles in solution; (e)-(n) nucleation situation of the black frame area in (a) is selected, where particles demarcated by the circle are dissolved during the nucleation process.

4.1 納米粒子的成核

納米粒子成核與生長涉及液-固相變的過程.其中, 成核是結(jié)晶生長過程中的關(guān)鍵步驟, 代表了無序相到有序相的初始轉(zhuǎn)變.成核過程時間短, 尺寸范圍小, 最難觀察.對于非原位研究提出的機理推測, 長期以來存在諸多爭議.經(jīng)典的Gibbs-Tompson 晶體成核理論是基于成核過程中總自由能變化的推導, 認為晶體成核時存在一個臨界尺寸, 小于該尺寸的納米晶體趨于溶解, 大于該尺寸的核將繼續(xù)穩(wěn)定生長[81].液體環(huán)境電鏡對納米粒子成核過程的表征直觀地反映了這一現(xiàn)象.如圖8 所示,Nielsen 等[82]觀測記錄了從含有檸檬酸作為封端劑的氯化金溶液中形成金納米顆粒的初始成核過程.記錄的圖像中可以發(fā)現(xiàn), 在成核過程中既有順利完成成核的顆粒, 也有成核過程中溶解的納米顆粒.他們還通過記錄溶解的納米顆粒的尺寸, 大致推斷了成核的臨界尺寸.經(jīng)典理論認為臨界尺寸取決于

這些結(jié)果表明, 納米粒子的成核過程似乎并不是單一的途徑.Nielsen 等[16]對碳酸鈣(CaCO3)的成核過程進行觀測, 認為CaCO3的結(jié)晶相是多種成核途徑共同作用, 包括直接從溶液中形成以及通過無定形和結(jié)晶前體的轉(zhuǎn)化間接形成.其中間接方式是首先出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的無定形前體, 然后通過生長相和收縮相之間的直接物理連接轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰扛欣木?總之, 原位液體環(huán)境TEM 在納米粒子成核表征方面的應用, 為進一步揭示成核機理及過程提供了合理有效的途徑.未來結(jié)合此項技術(shù),對納米粒子的成核機制將會有更深層次的理解.

4.2 納米粒子的生長

同樣, 在原位液體電子顯微鏡應用之前, 納米粒子的生長過程也無法直接觀測, 這使得相關(guān)理論的正確性和合理性難以定論.例如, Ostwald ripening理論認為小顆粒優(yōu)先溶解并在大顆粒表面析出, 納米粒子的生長通過單體附著到現(xiàn)有核上而進行[86].與之相反, Digestive ripening 理論則認為粒子生長受到表面能控制, 小尺寸粒子長大, 而大尺寸粒子發(fā)生溶解[87].LaMer 理論將成核和生長根據(jù)單體濃度劃分為不同階段建立了成核和生長模型[88].Chen 等[89]的原位實驗認為金納米結(jié)構(gòu)的成核過程與LaMer 模型相符合.Aggregative growth 理論提出了納米顆粒之間通過直接融合的方式生長[90].Zheng 等[7]直接觀察鉑納米粒子在液體腔中的成核和生長過程, 發(fā)現(xiàn)了單體直接生長和聚合生長兩種不同的生長途徑.如圖10(a)所示, 左側(cè)通過簡單生長逐漸長成球形納米顆粒, 右側(cè)兩個小的單體結(jié)構(gòu)通過聚合形成大的納米結(jié)構(gòu), 并在后續(xù)變化后形成類似于簡單生長產(chǎn)生的球形納米顆粒.有趣的是, 他們發(fā)現(xiàn)通過聚合生長的納米粒子在聚合后存在與納米粒子尺寸相關(guān)的弛豫時間, 并推斷此弛豫時間存在納米晶體的結(jié)構(gòu)重排.他們的研究受到分辨率的局限, 并未直接證實結(jié)構(gòu)重排現(xiàn)象.

圖9 金和銀在溶液中成核的三步途徑[85] (a)金納米粒子成核的三個階段演化圖像; (b)成核步驟示意圖; (c)銀納米粒子成核的三個階段演化圖像Fig.9.The three-step pathway of gold and silver nucleation in solution[85]: (a) Three-stage evolution image of gold nanoparticle nucleation; (b) schematic diagram of nucleation step; (c) three-stage evolution image of silver nanoparticle nucleation.

后來擁有更高分辨率的石墨烯液體腔為探究結(jié)構(gòu)重排提供了機會, Yuk 等[8]使用石墨烯液體電池來追蹤Pt 納米粒子的生長軌跡.如圖10(b)所示, 他們同樣在更高分辨率下觀測到納米晶體聚合生長的過程, 并檢查納米晶體在聚結(jié)過程中的晶體取向關(guān)系.他們發(fā)現(xiàn)聚合生長在具有最低的表面能或最低的配體覆蓋率(fcc 的{111})面優(yōu)先發(fā)生.對于非{111}面聚合的情況, 他們認為這是孿晶邊界的形成的原因.在聚合完成后, 聚結(jié)的結(jié)構(gòu)逐漸重塑以最小化表面能, 證實了弛豫階段結(jié)構(gòu)重排的推斷, 然而他們認為結(jié)構(gòu)變化僅發(fā)生在表面而不是內(nèi)部.

在Liao 等[69]通過觀察Pt3Fe 納米線的生長實驗中, 認為聚合后的結(jié)構(gòu)內(nèi)部也同樣存在變化.如圖11(a)所示, 他們通過聚合后黑點富鐵區(qū)域逐漸減小的變化過程, 認為弛豫階段在晶體內(nèi)部同樣存在結(jié)構(gòu)變化.此外, 如圖11(b)所示, 他們通過添加表面活化劑, 使得Pt3Fe 納米線形成直鏈生長.表明表面活化劑降低表面能后, 存在某種力對生長起到主導作用.對于表面活化劑的作用, Liao 等[91]在后續(xù)研究中做出了解釋.

同時, 該實驗的Pt3Fe 納米線由定向附著生長機制產(chǎn)生.定向附著是初級納米粒子聚合前就按照特定的方向?qū)R的生長方式, 是進一步生成三維自相似超結(jié)構(gòu)晶體的基礎(chǔ).對于定向附著的驅(qū)動力及其過程的研究十分必要.Liao 等[91]的研究通過對比顆粒和納米鏈的生長過程, 觀察到納米粒子間生長的各向同性和更喜歡在末端納米粒子鏈上生長顯示出的各向異性, 表明偶極力的相互作用非常重要.Li 等[14]則通過觀察羥基氧化鐵納米粒子的定向附著過程, 分析了定向附著不同階段的驅(qū)動力和機理: 首先, 在一種疑似滲透力的長距離吸引力作用下, 通過布朗運動使得粒子相互接近, 然后在范德瓦耳斯力相互作用下進一步靠近, 最后, 在各向異性的短程力作用下完成定向吸附生長, 其中短程力很可能是庫侖力.后來, Zhu 等[67]對定向附著過程的研究得到了相似的結(jié)論, 此外, 他們認為配體吸附在不同晶面的結(jié)合能是在特定晶面發(fā)生定向附著的原因.總之, 研究表明定向吸附生長機制由物理驅(qū)動力和表面能共同影響[68].

圖10 原位液體電鏡下納米晶的生長過程 (a) Pt 納米粒子生長的TEM 時序圖像, 左側(cè)為納米粒子通過單體生長的過程, 右側(cè)為納米粒子聚合生長過程[7]; (b) Pt 納米粒子特定晶相的聚合生長過程的TEM 時序圖像[8]Fig.10.Growth process of nanocrystals observed by in-situ liquid electron microscope: (a) TEM time series images of Pt nanoparticle growth, the left side is the process of nanoparticle growth through monomer, and the right side is the process of nanoparticle aggregation growth[7]; (b) TEM time series images of the polymerization growth process of the specific crystal phase of Pt nanoparticles[8].

圖11 納米晶體在溶液中的定向吸附過程[69] (a) 弛豫階段納米晶體的結(jié)構(gòu)變化; (b)不同長度納米線的矯直過程Fig.11.The directional adsorption process of nanocrystals in solution[69]: (a) Structural evolution of nanocrystals in the relaxation phase; (b) straightening process of nanowires of different lengths.

此外, 對于晶體演變機理的研究是實現(xiàn)納米材料可控生長的另一個重要方向.Wulff 定理指出從晶體中心到外表面的法向矢量的長度與表面自由能成比例.由此認為, 納米晶體穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)的生長,高能小面的生長速度要高于低能小面的生長速度.然而, 根據(jù)Liao 等[11]單獨跟蹤Pt 納米立方體沿不同晶體學方向的生長速率的研究發(fā)現(xiàn), 表面活性劑配體在不同表面上的遷移率不同, 配體遷移率低的面阻礙生長過程.因此, 這種動態(tài)可視化表征極大地增強了對晶體生長相對于每個小面的表面能的理解, 這是操縱納米晶體生長的關(guān)鍵.

4.3 納米粒子異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長

除了上面所述的單一組分納米結(jié)構(gòu)的生長之外, 異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的生長過程, 也可以通過原位液體環(huán)境電鏡進行表征.近年來, 利用原位透鏡對一些異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)生長過程的表征, 逐步揭示了異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的生長機理.Jungjohann 等[92]通過電子束激發(fā)Pd 溶液, 與Au 納米顆粒形成核-殼結(jié)構(gòu).實時觀測顯示出核-殼結(jié)構(gòu)的生長受到Au 核納米顆粒的大小和表面形態(tài)影響: 較小的的Au 納米顆粒(5 nm)通過連續(xù)均勻的生長形成較大厚度的殼.而在較大Au 的顆粒(15 nm, 30 nm)的角和刻面處體現(xiàn)了不均勻的生長.

Wu 等[93]對核殼生長的過程進行了更細致的研究.如圖12 所示, 通過對鉑二十面體納米粒子上金的形核和生長的觀測, 以及動力學定量分析,表明生長過程包括: 首先, 在鉑二十面體納米顆粒的角上沉積金; 然后, 金從角到表面和邊緣擴散,將鉑納米顆粒包裹; 最后, 金逐層生長形成鉑金核殼納米粒子.他們還通過結(jié)合原位TEM 測量生長過程的擴散系數(shù), 證明了金從角到表面和邊緣的擴散是動力學控制的.此外, 近年來許多研究探究了核殼結(jié)構(gòu)生長過程中的影響因素, Tan 等[19]探究了還原劑(抗壞血酸)的影響, 他們指出在電子束作用對反應影響不大的情況下, 可以通過添加合適的化學添加劑來控制結(jié)構(gòu)的演變.Chen 等[94]探究了配體的影響, 他們發(fā)現(xiàn)金納米核顆粒表面上的配體(檸檬酸鹽)的量, 直接影響納米核殼結(jié)構(gòu)生長成的形態(tài), 因此可以通過配體調(diào)節(jié)納米顆粒的表面能, 進而控制其結(jié)構(gòu)演變.類似地, Su 等[95]發(fā)現(xiàn)在原本發(fā)生核溶解的溶液中添加穩(wěn)定劑后, 轉(zhuǎn)變?yōu)榱撕藲そY(jié)構(gòu)生長的現(xiàn)象.原位液相電鏡對液體中納米粒子的表征研究, 逐步揭示了納米粒子的結(jié)構(gòu)演變機理, 使得控制納米結(jié)構(gòu)演變成為可能.

4.4 其他有關(guān)納米粒子的TEM 原位研究

圖12 Pt 二十面體上Au 的生長[93] (a) TEM 時序圖像顯示了Au 在Pt 二十面體納米顆粒上的生長過程, 箭頭代表Au 的生長變化位置; (b) Pt 納米晶體上Au 的成核和生長的定量分析, 方程是考慮了反應和擴散的增長率Fig.12.Au growth on a Pt icosahedron[93]: (a) TEM sequence image shows the growth process of Au on Pt icosahedral nanoparticles, and the arrow represents the growth and change position of Au; (b) quantitative analysis of Au nucleation and growth on Pt nanocrystals, the equation is to consider the growth rate of reaction and diffusion.

表征和探究簡單結(jié)構(gòu)的納米粒子生長機制能夠為進一步探究更復雜結(jié)構(gòu)的生長過程提供參考,從而更好地控制納米材料的生長和形態(tài)調(diào)整.近年來, 隨著對簡單結(jié)構(gòu)生長機理的深入探究, 一些更為復雜的結(jié)構(gòu)生長與組裝過程的研究也相繼開展, 如金屬-有機納米管(metal-organic nanotubes, MONT)的生長[96], 二維納米片或枝晶結(jié)構(gòu)的生長[15,97-99],基于模板的自組裝生長[100]等.除此之外, 對液體環(huán)境中納米結(jié)構(gòu)擴散和運動的表征[21,23,24,101], 也是探究納米結(jié)構(gòu)生長機制的重要組成部分.隨著分辨率的提高和功能的定制化, 基于液體腔的TEM 將應用于更多的研究領(lǐng)域, 目前國內(nèi)越來越多的課題組開展了原位液體環(huán)境電鏡的相關(guān)研究[102].

5 總結(jié)與展望

原位液體環(huán)境TEM 的出現(xiàn), 使得電子顯微鏡的樣品不再局限于固態(tài), 提供了液體環(huán)境的動態(tài)觀察和表征途徑.為研究納米材料的生長、電化學反應以及解析生物樣品結(jié)構(gòu)等典型的液態(tài)環(huán)境樣品提供了新契機.特別是基于微納加工技術(shù)制備的液體腔設(shè)計, 其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 可開發(fā)性強, 可以兼容現(xiàn)有的TEM 設(shè)備, 便于操作和改進.本文主要介紹了液體腔的設(shè)計要求、發(fā)展和典型的制備工藝, 同時綜述了近年來液體腔在納米粒子成核和生長表征研究方面的卓越表現(xiàn).目前, 國內(nèi)外越來越多的課題組在各自研究領(lǐng)域嘗試開展原位液體環(huán)境TEM的創(chuàng)新實驗, 一些常用的液體腔設(shè)計也已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化, 未來隨著液體腔的更多功能集成化, 液體環(huán)境TEM 的應用范圍將進一步擴展.然而, 就目前而言, 液體環(huán)境TEM 的發(fā)展還面臨一些問題.

首先, 對于液體腔的設(shè)計和優(yōu)化方面.空間分辨率的提高作為長期以來優(yōu)化性能的主要目標, 雖然目前分辨率已經(jīng)優(yōu)化到原子尺度, 但液體腔本身的小體積影響和電子束散射影響仍然難以避免.其次, 在許多動態(tài)實驗中, 原位液體環(huán)境電鏡的時間分辨率是另一個不可忽略的關(guān)鍵因素.在原位實驗中配備的檢測相機具有超高的時間分辨率, 例如采用快速直接電子探測相機, 實現(xiàn)每秒1600 幀的成像, 能夠采集毫秒級變化的動態(tài)數(shù)據(jù), 同時隨著時間分辨率提高而帶來超大的數(shù)據(jù)量處理問題.最后, 對于液體腔的制備需要較高的工藝水平, 目前各研究組的設(shè)計種類眾多, 但能夠流程生產(chǎn)和商用的液體腔并不多, 使得液體環(huán)境電鏡的實驗具有一定門檻.未來作者希望能有更多性能較為穩(wěn)定的標準液體腔用于商用, 為更多創(chuàng)新實驗提供便利.