[논문 리뷰] Dynamic Imaging of Au-nanoparticles via Scanning Electron Microscopy in a Graphene Wet Cell

Wayne Yang, Yuning Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 10.

Graphene research and applications참고 문헌 30인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 기구 수정 없이 액체 상태에서 금 나노입자(Au-NPs)의 고해상도 동적 스캐닝 전자현미경(SEM) 및 에너지 분산 X선(EDX) 분석을 가능하게 하는 단일층 그래핀 습세포를 제시한다. 원자 두께의 도핑된 도전성 및 기계적으로 견고한 그래핀 막은 고진공 환경을 유지하며, 5 nm 이하의 해상도를 제공하고, 전자기기 손상 없이 액상 EDX 분석을 실현하며, 신호 감쇠율이 30%에 불과하여 기존 실리콘 질화물 창을 능가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 액체 환경에서 고해상도 습세포를 개발하기 위해 기계적 내구성과 내구성이 뛰어난 구조를 확보한다.
• 기존 실리콘 질화물 막이 SEM 및 EDX 응용에서 겪는 해상도 및 신호 제한 문제를 해결한다.
• 표준 SEM 기기로 액체 내에서 브라운 운동을 관찰할 수 있도록 동적 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 투명하고 도전성이며 초박막인 그래핀 막을 창으로 사용하여 액상 내 요소 분석을 EDX를 통해 실현한다.

제안 방법

• 미세공이 있는 실리콘 질화물 기판 위에 화학기상증착(CVD)으로 얻은 단일층 그래핀을 전사하여 그래핀 습세포를 제작한다.
• 고진공 환경에서 액체 샘플을 유지하기 위해 고무 캡을 사용해 세포를 밀봉한다.
• 그래핀 막의 원자 두께(0.34 nm), 높은 전기 전도성 및 기계적 강도를 활용하여 고해상도 SEM 영상 촬영 및 EDX 분석을 수행한다.
• 20 nm Au-NPs가 그래핀 표면에 부착되거나 표면을 이동하는 동안 브라운 운동을 관찰하기 위해 동적 SEM 영상 촬영을 수행한다.
• 그래핀 막 위와 아래에 있는 Au-NPs에 대해 EDX 측정을 실시하여 신호 전달 성능 및 조성 검출 능력을 평가한다.
• 피크 강도의 20%에서 80% 사이의 강도 선형 프로파일을 이용해 해상도를 측정하고 대비 대 노이즈 비율(CNR)을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 그래핀 막은 진공으로 인한 손상이나 신호 감쇠 없이 액체 상태에서 나노입자의 고해상도 SEM 영상 촬영을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 기존 SEM에서 그래핀 막을 통해 촬영한 나노입자의 실현 가능한 공간 해상도와 대비 대 노이즈 비율(CNR)은 얼마인가?
• RQ3 EDX 분석은 그래핀 막을 통해 액상 내 나노입자의 요소 조성을 최소한의 신호 감쇠로 감지할 수 있는가?
• RQ4 전자빔은 나노입자의 운동에 어떤 영향을 미치며, 이를 이용해 그래핀 표면에서 입자를 제어하거나 집중시킬 수 있는가?
• RQ5 그래핀 습세포는 표준 SEM 도구를 사용해 액체 내 나노스케일 과정을 실시간으로 현장에서 특성화하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 20 nm Au-NPs에 대해 그래핀 습세포는 5 ± 3 nm의 공간 해상도를 확보하였으며, 일반적으로 50 nm 실리콘 질화물 막에서 보고된 20 nm 해상도를 초월한다.
• 대비 대 노이즈 비율(CNR)은 7 ± 1로 측정되어 동적 관찰에 적합한 높은 영상 품질을 나타낸다.
• 그래핀 막 아래에 위치한 나노입자에서 금을 성공적으로 EDX로 검출하였으며, 실리콘 질화물 표면의 대조군과 비교해 신호 강도가 30% 감소하는 데 그쳤다.
• 다수의 EDX 측정 후에도 그래핀 막이 안정적이고 손상되지 않아 전자빔 노출에 대한 내구성을 입증하였다.
• 약한 구리 피크는 CVD 성장 과정 잔류 구리에서 기인한 것으로 추정되었으며, 막 구멍 가장자리에서의 산란으로 소량의 실리콘 피크도 관찰되었다.
• 지속적인 전자빔 스캐닝은 Au-NPs를 그래핀 표면으로 끌어당기고 집중시키는 현상을 보였으며, 액체 내에서 입자의 위치 제어가 가능함을 입증하였다.