[論文レビュー] Dynamic Imaging of Au-nanoparticles via Scanning Electron Microscopy in a Graphene Wet Cell

Wayne Yang, Yuning Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Graphene research and applications参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、装置の改造なしに液体中での金ナノ粒子（Au-NPs）の高分解能動的走査型電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散型X線（EDX）分析を可能にする単層グラフェン湿式セルを提示する。原子層程度の薄さで導電性かつ機械的強度に優れるグラフェン膜は、高真空を維持可能であり、<5 nmの分解能を達成し、わずか30%の信号減衰で液体中EDXを実現。従来の窒化ケイ素膜を上回る性能を示す。

ABSTRACT

High resolution nanoscale imaging in liquid environments is crucial for studying molecular interactions in biological and chemical systems. In particular, electron microscopy is the gold-standard tool for nanoscale imaging, but its high-vacuum requirements make application to in-liquid samples extremely challenging. Here we present a new graphene based wet cell device where high resolution SEM (scanning electron microscope) and Energy Dispersive X-rays (EDX) analysis can be performed directly inside a liquid environment. Graphene is an ideal membrane material as its high transparancy, conductivity and mechanical strength can support the high vacuum and grounding requirements of a SEM while enabling maximal resolution and signal. In particular, we obtain high resolution (< 5 nm) SEM video images of nanoparticles undergoing brownian motion inside the graphene wet cell and EDX analysis of nanoparticle composition in the liquid enviornment. Our obtained resolution surpasses current conventional silicon nitride devices imaged in both SEM and TEM under much higher electron doses.

研究の動機と目的

• 液体環境下での高分解能湿式セルの開発。
• 従来の窒化ケイ素膜が示すSEMおよびEDX応用における分解能および信号の制限を克服すること。
• 標準的なSEM装置を用いて、液体中でのナノ粒子のブラウン運動を動的撮影すること。
• 透明で導電性かつ超薄膜であるグラフェン膜を窓として用いることで、液体中での元素分析（EDX）を実現すること。

提案手法

• マイクロポーラを有する窒化ケイ素基板上に化学気相成長（CVD）法で成長した単層グラフェンを転写してグラフェン湿式セルを製造する。
• ポリマー蓋を用いて液体試料を密封し、高真空下でも液体環境を維持する。
• グラフェン膜の原子層厚さ（0.34 nm）、高い電気的導電性、機械的強度を活用して、高分解能SEM像およびEDXを実現する。
• 20 nmのAu-NPsがグラフェン表面に結合しているか、またはその上を拡散する様子を観察するため、動的SEM撮影を実施する。
• グラフェン膜の下部および上部に位置するAu-NPsに対してEDX測定を実施し、信号透過率および成分検出能を評価する。
• ピーク強度の20%から80%の間の強度プロファイルを用いて分解能を測定し、コントラスト対ノイズ比（CNR）を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層グラフェン膜は、真空による損傷や信号劣化を伴わずに液体中でのナノ粒子の高分解能SEM像を実現できるか？
• RQ2 従来のSEMで使用されるグラフェン膜を通したナノ粒子の空間分解能およびコントラスト対ノイズ比（CNR）はどの程度達成できるか？
• RQ3 EDX分析は、グラフェン膜を介して液体中にあるナノ粒子の元素組成を、最小限の信号減衰で検出できるか？
• RQ4 電子ビームはナノ粒子の動態にどのような影響を及ぼし、グラフェン界面での粒子の操作や集積に利用できるか？
• RQ5 グラフェン湿式セルは、標準的なSEM装置を用いて、液体中でのナノスケールプロセスをインサイト・リアルタイムで特徴付けるのに適しているか？

主な発見

• 20 nmのAu-NPsに対して、グラフェン湿式セルは5 ± 3 nmの空間分解能を達成し、通常50 nmの窒化ケイ素膜で報告される20 nm分解能を上回った。
• コントラスト対ノイズ比（CNR）は7 ± 1と測定され、動的観察に適した高品質な画像を示した。
• グラフェン膜の下に位置するナノ粒子に対してもEDX分析で金が明確に検出され、制御試料の窒化ケイ素表面と比較してわずか30%の信号減衰にとどまった。
• 複数回のEDX測定後も、グラフェン膜は安定しており、電子ビームへの耐性を示した。
• 弱い銅ピークはCVD成長工程に残存する銅由来と特定され、膜の穴縁での散乱に起因するわずかなケイ素ピークも観察された。
• 連続した電子ビーム走査により、Au-NPsがグラフェン界面に引き寄せられ、液体中での粒子位置の能動的制御が可能であることが示された。