Væskecelletransmissionselektronmikroskopianalyse af halvledernanokrystaller

Halvleder nanokrystaller af forskellige størrelser og former kan styre materialernes optiske og elektriske egenskaber. Flydende celle transmission elektronmikroskopi (LCTEM) er en ny metode til at observere kemiske transformationer i nanoskala og informere den præcise syntese af nanostrukturer med forventede strukturelle træk. Forskere undersøger reaktionerne af halvledernanokrystaller med metoden til at studere det meget reaktive miljø, der produceres via flydende radiolyse under processen.

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Cheng Yan og et forskerhold i kemi og materialevidenskab ved University of California Berkeley og Leibniz Institute of Surface Engineering, Tyskland, udnyttede radiolyseprocessen til at erstatte enkeltpartikelætsningsbanen for prototypiske halvledernanomaterialer. Bly selenid nanorør, der blev brugt under arbejdet, repræsenterede en isotrop struktur for at bevare den kubiske form til ætsning gennem en lag-for-lag-mekanisme. De anisotrope pilformede cadmiumselenid nanorods opretholdt polære facetter med cadmium eller selen atomer. Banerne for transmission flydende celle elektronmikroskopi afslørede, hvordan reaktiviteten af ​​specifikke facetter i flydende miljøer styrede nanoskala formtransformationer af halvledere.

Optimering af flydende celletransmissionselektronmikroskopi (LCTEM)

Halvleder nanokrystaller indeholder bredt afstembare optiske og elektriske egenskaber, der afhænger af deres størrelse og form til en bred vifte af applikationer. Materialeforskere har karakteriseret reaktiviteten af ​​specifikke bulkkrystalfacetter mod vækst og ætsningsreaktioner for at udvikle de mest vilkårlige mønstre i top-down bulk-halvlederbehandling. De mange facetter af nanokrystaller og deres reaktionsmekanisme gør dem interessante til direkte undersøgelse. Termodynamikken af ​​kolloide nanokrystaller kan påvirke de organisk-uorganiske grænseflader, der definerer dem. Flydende celle transmission elektronmikroskopi tilbyder den nødvendige rum-tid opløsning til at observere nanoskala dynamik, såsom selvsamlingsprocessen. Holdet anbragte derfor en vandig lomme indeholdende nanokrystaller mellem de ultratynde kulstoflag i to transmissionselektronmikroskopgitre og brugte tris (hydroxymethyl) aminomethanhydrochlorid (tris·HCl), et organisk molekyle til at regulere ætsningen af ​​følsomme halvledernanokrystaller.

Eksisterende forskning om LCTEM og nanokrystaller er begrænset til ædelmetaller på grund af deres manglende evne til at regulere det kemiske miljø under radiolyse, hvilket får reaktive materialer til at nedbrydes. Nyere forskning tyder på en mulighed for at designe nye miljøer for LCTEM for at observere enkeltpartikelætsningsbaner af reaktive nanokrystaller. Under eksperimenterne regulerede tris·HCl-additivet det elektrokemiske potentiale af ætningsprocessen, og holdet brugte kinetisk modellering til at estimere koncentrationen og det elektrokemiske potentiale af aminradikalarten i den flydende celle.

Proof-of-concept

As proof of concept, the scientists obtained representative transmission electron microscopy images of a lead selenide nanocube in vacuum and gathered a time-series of images during layer-by-layer etching of lead selenide nanocrystals. The outcome of LCTEM imaging showed the formation of a substance with higher image contrast around the lead selenide nanocrystals as a product of etching reactions, it appears that during the etching process, selenium oxidized and dispersed into the liquid to facilitate the formation of lead chloride, with chloride ions in the lead pocket. When compared to the cubic lattice of lead selenide, wurzite cadmium selenide featured an anisotropic lattice with alternating layers of cadmium and selenium atoms. During the growth of wurzite cadmium selenide nanocrystals, the surfactant ligands favorably bound to the cadmium regions to facilitate the fast growth of selenium regions.

Yan et al. presented the structure of cadmium selenide nanorods resolved via high-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy in vacuum. The scientists generated the images by collecting electrons scattered to high angles by atoms in the material to develop mass-thickness image contrast, where cadmium was brighter than selenium. The team similarly performed in situ etching experiments on arrow-shaped cadmium selenide nanorods.

In this way, Cheng Yan and colleagues used liquid cell electron microscopy (LCTEM) to show the possibility of directly examining the facet-dependent reactivity of colloidal nanocrystals at the nanoscale. The method offered real-time, continuous structural trajectories, in contrast to classical methods. Existing research had already highlighted the effect of the inclusion or removal of ligands on the self-assembly and etching of nanocrystals in LCTEM experiments.

The team showed how sensitive nanomaterials such as lead selenide can be studied using LCTEM and highlighted the inclusion of organic additives such as tris·HCl to regulate the radiolytic redox environment in liquid cell electron microscopy. Future studies can enable the potential to gain real-time information about the transformation of an array of functional nanostructures with increasing complexity using core/shell nanocrystals, as well as those assembled via inorganic-organic interfaces. + Udforsk yderligere

How gas nanobubbles accelerate solid-liquid-gas reactions

© 2022 Science X Network