Small Methods:众里寻它千百度——微纳颗粒三维重构新方法

纳米到微米尺度的颗粒被广泛应用于研究和应用领域,例如催化、药物传递、传感、光学、电子或光电器件等等。随着颗粒设计越来越复杂,为了理解和有针对性地设计材料功能,对其形貌、晶体结构、化学成分和物理性能等细致和关联的表征是不可或缺的。

这些研究特别需要局域的表征工具,比如原子探针断层扫描(atom probe tomography)、透射电子显微镜(TEM)广谱技术(broad spectrum)、或者单粒子的物理性质的测量。作为二维和分析透射电镜技术的补充,电子断层扫描可以研究微米和纳米颗粒的三维形貌、化学性能(如成分或价态)和物理性能(等离激元的本征模式)。其中,相比传统的三维重构,360°三维重构能够研究不需要支撑的独立的样品,因而避免了由有限的旋转角度限制而引起严重的丢失楔形边缘的缺陷。但是,为了方便样品能够进行360°旋转,360°三维重构技术需要将样品制备成棒状的。过去,制备单个纳米颗粒需要将柱状样品包埋处理后用聚焦离子束(FIB)减薄,或者直接将颗粒分散在溶液中烧结后放在针尖上。但是这些技术也有着不可避免的缺点。首先,对于样品的选择是随机的,不能有针对性地去选择某一个样品颗粒;其次,FIB制样会破坏多孔结构,无法建立真实有效的的三维构效关系。所以,一种既能对样品实施选择,又能保持样品无损的制样方法是非常有必要的。

为了解决这个问题,能够得到材料的性能与其三维形貌的直接对应关系,德国埃尔朗根大学的Przybilla 等人建立了一种无损伤且无污染的制备360°三维重构样品方法并成功重构出微米级沸石和纳米级α-Fe2O3的三维形貌,其成果“Transfer of Individual Micro- and Nanoparticles for High-Precision 3D Analysis Using 360° Electron Tomography”发表在了Small Methods上。首先用滴微栅的方法制备粉末样品,将样品颗粒分散在有碳膜的微栅上,然后再在SEM中选择样品,通过移动针尖和微栅,将针尖置于目标颗粒正下方,一般,颗粒和针尖之间的吸附力可以将样品从微栅上转移下来,但是当颗粒与碳膜之间的吸附力大于其与针尖的吸附力时,需要在针尖上涂一层能够在SEM中兼容的胶。然后即可将载有样品颗粒的针尖置于TEM中进行三维重构的实验。此方法适用范围不局限于多孔材料,同时在尺度上也适用于微米到纳米级别的颗粒的三维重构。

未来,可以依靠颗粒与针尖的范德瓦耳斯力来转移样品,通过改变针尖的材质、表面粗糙度来控制范德华力的大小或者改变其他参数降低样品与微栅之间的作用力,不论三维重构未来的发展方向是怎样的,作者给了一个很好的改良思路。

本文由中科院物理所尚彤彤及谷林供稿