[논문 리뷰] A simple TEM method for fast thickness characterization of suspendedgraphene flakes

Sultan Akhtar, Stefano Rubino외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 08.

Graphene research and applications참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 역학적 전자 회절 이론과 밝은 영역 영상 기반으로, 투과형 전자현미경(TEM)을 사용한 투명한 그래핀 플레이트의 두께 특성화를 위한 단순하고 빠른 방법을 제시한다. 전달된 비트 강도를 분석함으로써 단일층 감도를 달성하여 약 ~1 nm의 두께 해상도를 얻으며, 복잡한 衍射 패턴이나 에너지 필터링이 필요 없이 최소한의 샘플 준비로 그래핀 플레이트 두께 변화를 단일층까지 정확하고 비파괴적으로 측정할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 경량 원소 및 연성 물질의 TEM 영상에서 발생하는 문제, 예를 들어 전자 조사 손상과 낮은 대trast를 해결하기 위해.
• 투명한 그래핀 플레이트의 두께 특성화를 위한 간단하고 고해상도 기법을 개발하기 위해.
• 냉동TEM을 활용해 생분자 상호작용과 수화된 생물학적 샘플을 실공간적으로 정확히 분석할 수 있도록 하기 위해.
• 냉동TEM을 위한 현장에서의 집중된 이온 비임의 떼어내기 기술이 수화된 샘플, 예를 들어凍결된 곰팡이 포자와 같은 생물학적 샘플에 적용 가능한지를 입증하기 위해.
• 냉동TEM을 활용해 생물학적 및 2차원 물질의 구조 영상에서 원자 스케일 해상도를 달성하고 원소 분포도를 함께 확보하기 위해.

제안 방법

• 전달된 전자 비트 강도의 두께 함수로 표현을 도출하기 위해 전자 회절의 역학적 이론을 활용한다.
• 복잡한 衍射 또는 에너지 필터링 기법을 피하기 위해 밝은 영역(BF) TEM 영상만을 사용한다.
• JEMS 시뮬레이션과 실험 측정을 통해 흡수 계수 λ를 캘리브레이션하여, 저대칭 성향에서 λ ≈ 225 ± 9 nm를 도출한다.
• 강도-두께 관계를 적용하여 그래핀 플레이트의 두께 변화를 단일층 이하 감도로 정량화한다.
• 냉동된 수화된 샘플에서 전자 투과성 램엘라를 제작하기 위해 현장에서의 집중된 이온 비임(FIB)을 활용한다.
• 냉동 전이 용기에 의해 떼어낸 램엘라를 냉동 상태를 유지하면서 TEM로 이송하여 구조적 완전성을 보존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 데이터 수집이 필요 없이 단순한 TEM 방법으로 그래핀 두께 특성화에서 단일층 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 자기 비드의 크기와 DNA 코ils의 구조가 비드 부착 밀도와 공간 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현장에서의 FIB 떼어내기와 냉동TEM을 조합하여 수화된 생물학적 구조를 근원자 스케일에서 유지하고 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 40 nm 비드와 130 nm 비드의 공간 분포는 DNA 코일에 대해 어떻게 되어 있으며, 자기 측정 결과와 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 생물학적 샘플의 냉동TEM에서 원소 분포도와 격자 무늬는 어느 정도 해상도로 구분될 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 약 1 nm의 해상도로 그래핀 플레이트의 두께 특성화를 가능하게 하여 단일층에 의한 두께 변화를 감지할 수 있다.
• 저대칭 성향에서 실험적으로 흡수 계수 λ는 225 ± 9 nm로 측정되었으며, 이는 이론 모델의 타당성을 입증한다.
• 평균적으로 40 nm 비드의 경우 1개 DNA 코일당 약 6개의 비드가 부착되었고, 130 nm 비드의 경우 약 2개 초과로 부착되었으며, 자기 측정 결과와 일치한다.
• 40 nm 비드는 DNA 코일 내부에 선호적으로 부착되는 반면, 130 nm 비드는 외부에 국한되어 있어 구조적 가설을 지지한다.
• 냉동TEM 영상에서 알루미늄 지지체의 3 Å 격자 무늬가 명확히 해상도로 확인되어 원자 스케일의 구조적 해상도를 확인했다.
• 에너지 필터링 영상은 C, N, Mn에 대한 원소 지ap도를 생성하여, 이 방법이 수화된 샘플에서 조성 분석이 가능하다는 것을 입증했다.