[論文レビュー] A simple TEM method for fast thickness characterization of suspendedgraphene flakes

Sultan Akhtar, Stefano Rubino+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2012

Graphene research and applications参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、動的電子回折理論と明-field像を用いた、簡素で高速な透過電子顕微鏡（TEM）法を提案し、浮遊状態のグラフェンフラクタルの厚さを特徴付ける。この手法は透過ビーム強度の分析によりモノレイヤー感度を達成し、~1 nmの厚さ分解能を実現し、複雑な回折パターンやエネルギー分離を必要とせず、最小限の試料準備で、1層の変化まで正確かつ非破壊的に測定可能である。

ABSTRACT

Transmission Electron Microscopy (TEM) on light element materials and soft matters is problematic due to electron irradiation damage and low contrast. In this doctoral thesis techniques were developed to address some of those issues and successfully characterize these materials at high resolution. These techniques were demonstrated on graphene flakes, DNA/magnetic beads and a number of water containing biomaterials. The details of these studies are given below.A TEM based method was presented for thickness characterization of graphene flakes. For the thickness characterization, the dynamical theory of electron diffraction is used to obtain an analytical expression for the intensity of the transmitted electron beam as a function of thickness. From JEMS simulations (experiments) the absorption constant λ in a low symmetry orientation was found to be ~ 208 nm (225 ± 9 nm). When compared to standard techniques for thickness determination of graphene/graphite, the method has the advantage of being relatively simple, fast and requiring only the acquisition of bright-field (BF) images. Using the proposed method, it is possible to measure the thickness change due to one monolayer of graphene if the flake has uniform thickness over a larger area.A real-space TEM study on magnetic bead-DNA coil interaction was conducted and a statistical analysis of the number of beads attached to the DNA-coils was performed. The average number of beads per DNA coil was calculated around 6 and slightly above 2 for samples with 40 nm and 130 nm beads, respectively. These results are in good agreement with magnetic measurements. In addition, the TEM analysis supported an earlier hypothesis that 40 nm beads are preferably attached interior of the DNA-coils while 130 nm beads closer to the exterior of the coils.A focused ion-beam in-situ lift-out technique for hydrated biological specimens was developed for cryo-TEM. The technique was demonstrated on frozen Aspergillus niger spores which were frozen with liquid nitrogen to preserve their cellular structures. A thin lamella was prepared, lifted out and welded to a TEM grid. Once the lamella was thinned to electron transparency, the grid was cryogenically transferred to the TEM using a cryo-transfer bath. The structure of the cells was revealed by BF imaging. Also, a series of energy filtered images was acquired and C, N and Mn elemental maps were produced. Furthermore, 3 A lattice fringes of the underlying Al support were successfully resolved by high resolution imaging, confirming that the technique has the potential to extract structural information down to the atomic scale. The experimental protocol is ready now to be employed on a large variety of samples e.g. soft/hard matter interfaces.

研究の動機と目的

• 軽元素やソフトマターのTEM像において、電子線照射損傷や低コントラストといった課題に対処すること。
• 浮遊グラフェンフラクタルの厚さ特徴付けのための、簡素で高分解能な技術を開発すること。
• 低温TEMを用いてバイオ分子相互作用や水分を含んだ生物学的試料の正確なリアルタイム分析を可能とすること。
• 氷結した真菌胞子などの水分を含んだ試料に対して、インサイトFIBリフトアウトの可能性を実証すること。
• 低温TEMを用いた生物学的および2次元材料の構造像において、原子スケールの分解能を達成し、要素マッピングを可能とすること。

提案手法

• 動的電子回折理論を用いて、厚さ関数としての透過電子ビーム強度の解析的表現を導出する。
• 複雑な回折やエネルギー分離技術を避けるために、明-field（BF）TEM像のみを用いる。
• JEMS シミュレーションと実験的測定を用いて吸収定数λをキャリブレーションし、低対称性方位ではλ ≈ 225 ± 9 nmが得られた。
• 強度-厚さ関係を応用して、グラフェンフラクタルの厚さ変化を準モノレイヤー感度で定量化する。
• 焦点を合わせたイオンビーム（FIB）を用いたインサイトリフトアウトにより、氷結した水分を含んだ試料から電子透過膜を調製する。
• 氷結状態を保持するため、冷却トランスファーバスを用いてリフトアウトした膜をTEMに迅速に移動させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑なデータ取得を要せず、簡素なTEM法がグラフェンの厚さ特徴付けでモノレイヤー感度を達成できるか？
• RQ2 磁性ビーズのサイズとDNAコイル構造が、ビーズの付着密度および空間的分布に与える影響は何か？
• RQ3 インサイトFIBリフトアウトと低温TEMを組み合わせることで、水分を含んだ生物学的構造を近原子スケールで保存・解像できるか？
• RQ4 40 nmビーズと130 nmビーズのDNAコイルに対する空間的分布はどのように異なり、磁気測定と相関するか？
• RQ5 生物学的試料の低温TEMにおいて、要素マッピングと格子縞がどの程度解像可能か？

主な発見

• 本手法により、約1 nmの分解能でグラフェンフラクタルの厚さ特徴付けが可能となり、1層の変化を検出可能である。
• 低対称性方位において、実験的に吸収定数λが225 ± 9 nmと決定され、理論モデルの妥当性が裏付けられた。
• 平均して、40 nmビーズでは1 DNAコイルあたり約6個のビーズが付着し、130 nmビーズではわずかに2個を超える程度の付着が確認され、磁気測定と整合的であった。
• 40 nmビーズはDNAコイルの内部に優先的に付着するのに対し、130 nmビーズは外周部に局在化する傾向を示し、構造的仮説を支持する。
• 低温TEM像により、アルミ支持体の3 Åの格子縞が明確に解像され、原子スケールの構造分解能が確認された。
• エネルギー分離像により、C、N、Mnの要素マップが得られ、本手法が水分を含んだ試料における組成分析能力を有することを示した。