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石墨烯讓奈米粒子3D成像更精確

上網時間: 2015年07月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:石墨烯  GLC  Atomic-scale  TEM  奈米粒子 

勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)的研究人員使用單層石墨烯作為一個清晰類透鏡蓋(Lens-like Cap)—稱為石墨烯電池液(Graphene Liquid Cell,GLC)—為單個膠狀奈米粒子的原子創造新的成像系統。這個過程將大大簡化反覆試驗原子級(Atomic-scale)工程學的設計和重新設計過程,LBNL的工作人員說。

大多數電子產業使用的奈米粒子都存在於流體溶液中,且也被允許可處於乾燥狀態。常用的透射電子顯微鏡(TEM)可在奈米粒子乾燥後為其成像,但是乾燥的流體往往會扭曲奈米粒子的結構,而校正結構的過程通常相當複雜,一個設計完成在之前,須經過反覆多次的試驗。LBNL的石墨烯可作為敏感奈米粒子的保護層。

「作為保護層,石墨烯可能是最薄的(每張紙只有1個原子厚),可保護TEM真空室裡的液體樣品。」LBNL暨Molecular Foundry國家電子顯微鏡中心(National Center for Electron Microscopy)的科學家Peter Ercius說,「奈米粒子在液體中可以自由移動和旋轉,向我們展示許多不同的視角,而這些視角被組合於一台電腦中,以生成奈米粒子架構的3D模型,我們所使用的容器只比奈米顆粒的尺寸稍大一些。」

Ercius的團隊第一次使用的新技術,他們稱之為「SINGLE」—由石墨烯電池液電子顯微鏡鑑定的奈米粒子結構(Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid Cell Electron Microscopy)—可在電腦中顯示3D模型,目的在於設計可以組合在一起的「積木」,以形成更大的特定電子和物理特性架構,滿足現今許多產業需求。

 SINGLE使用TEM為在GLC中自由旋轉的鉑奈米粒子成像,以確定個別的膠體奈米顆粒3D結構。
SINGLE使用TEM為在GLC中自由旋轉的鉑奈米粒子成像,以確定個別的膠體奈米顆粒3D結構。
(圖片來源:LBNL,2015/07)

「我們的作法可能會影響現有液體生成的結構,且我們確定如何透過組合較小的結構建立較大架構。這可能也會對使用奈米粒子的製程有很大的影響,如催化(Catalysis),這是由於我們能夠探索在原生液體環境中的奈米粒子3D結構。」Ercius告訴EE Times。

在電子領域,奈米粒子被用在越來越多的各類新裝置上,並改善現有裝置的效能。例如,太陽能板(Solar Panel)和奈米電子電路都可以使用奈米粒子作為量子點,在光子到電子設備提高太陽能板的輸出,以及讓先進的半導體結點可接近原子等級。

Ercius並指出,量子點的原子結構,包括他們的形狀、表面和內部缺陷,都是調整其性能的關鍵參數,我們的方法可用於確定量子點的結構特性,從而提高其設計應用,包括光電子(Photonics)。

柏克萊實驗室總監Paul Alvisatos在Molecular Foundry。
柏克萊實驗室總監Paul Alvisatos在Molecular Foundry。
(圖片來源:LBNL Roy Kaltschmidt提供,2015/07)

在LBNL,Ercius的下一步將使用更快的每秒400幀的攝影鏡頭,以更精確的構造出TR3D模型,精準度可超越他們現在擁有的2奈米精準度設備。

「我們的下一步是推動這項技術在粒子中使用的單個元素內,找到所有的原子。新的攝影機現在已經安裝在我們的TEM上,並可以10倍的速度獲得更高品質的照片,這應該可以協助我們實現此一目標。」Ercius進一步說明,「我們還計畫去探索我們可以重建多大的粒子。」

最終,該技術可以用來組裝完整的電子和光子材料和甚至完整的裝置,使用從下而上的方法結合不同的元件,透過每個奈米粒子表面的編碼,使他們自動扣在一起。

在LNBL的SINGLE是由美國國家能源部(U.S. Department of Energy)透過一個由多機構團隊資助的研究人員所發明,也是由在Molecular Foundry的柏克萊實驗室總監,暨科維(Kavli)柏克萊分校能源奈米研究所(Energy NanoScience Institute,ENSI)所長Paul Alvisatos所主導。其他參與者包括哈佛大學(Harvard University)教授Jungwon Park、澳大利亞莫納什大學(Australia’s Monash University)教授Hans Elmlund,以及博士後和博士生Jong Min Yuk、David Limmer、Qian Chen、Kwanpyo Kim、Sang Hoon Han、David Weitz與Alex Zettl。

 Peter Ercius和TEAM I電子顯微鏡在Molecular Foundry的國家電子顯微鏡中心的合影。
Peter Ercius和TEAM I電子顯微鏡在Molecular Foundry的國家電子顯微鏡中心的合影。
(圖片來源:LBNL Roy Kaltschmidt提供,2015/07)

(參考原文: Nanoparticle Imaging with Graphene ,by R. Colin Johnson)

編譯:Anthea Chuang





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