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北大彭海琳課題組《AFM》：綜述-用于多維電子顯微成像的石墨烯膜：制備、應(yīng)用與展望

2022-05-20 13:55:53 作者：石墨烯聯(lián)盟來源：石墨烯聯(lián)盟分享至：

1 成果簡(jiǎn)介

圖1、使用石墨烯 EM 網(wǎng)格的EM成像的演變，從2D高分辨率EM成像到3D原子分辨率和4D原位動(dòng)態(tài)表征。

　　電子顯微鏡（EM）的技術(shù)突破開啟了EM成像的分辨率革命。如今，分辨率的提升需要為樣品制備提供強(qiáng)大的無背景噪聲EM支持，這是高分辨率EM成像的主要瓶頸。由于原子厚度和優(yōu)異的物理性質(zhì)，石墨烯在實(shí)現(xiàn)高分辨率多維成像的電磁領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而，制備高質(zhì)量的懸浮石墨烯膜仍然具有挑戰(zhàn)性。破損、污染和起皺等問題降低了懸浮石墨烯膜的質(zhì)量，從而限制了其在EM成像中的廣泛應(yīng)用。

　　本文，北京大學(xué)彭海琳課題組在《Adv Funct Mater》期刊發(fā)表名為“Graphene Membranes for Multi-Dimensional Electron Microscopy Imaging: Preparation, Application and Prospect”的綜述，對(duì)懸浮石墨烯膜進(jìn)行了深入研究，用于多維EM成像。本研究首先簡(jiǎn)要介紹了EM的發(fā)展，然后討論了高質(zhì)量石墨烯的合成。然后總結(jié)了生產(chǎn)懸浮石墨烯膜的各種方法及其在多維 EM 表征中的應(yīng)用，包括高分辨率2D成像、低溫 EM 3D重建和4D原位液體EM。基于目前的成果，最終提出了石墨烯膜在更前沿應(yīng)用的前景。

2 圖文導(dǎo)讀

2.1化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的高品質(zhì)石墨烯薄膜

圖2、通過化學(xué)氣相沉積（CVD）生產(chǎn)石墨烯薄膜

圖3、高質(zhì)量石墨烯薄膜的生長(zhǎng)

2.2 石墨烯/石墨烯衍生物電磁網(wǎng)格的制備方法

2.21石墨烯轉(zhuǎn)移方法

　　為了制造用于高分辨率 EM 的懸浮石墨烯膜，應(yīng)將生長(zhǎng)在金屬基板上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到 EM 網(wǎng)格上。因此，開發(fā)簡(jiǎn)單有效的石墨烯轉(zhuǎn)移方法變得很重要。常用的轉(zhuǎn)移方法常涉及聚合物的載體。為了避免聚合物污染，需要一種不含聚合物的清潔轉(zhuǎn)移方法。上述方法在石墨烯轉(zhuǎn)移方法總是要處理污染和破損問題，這極大地影響了 EM 網(wǎng)格的良率和質(zhì)量。B. Alema'n 等人。介紹了一種結(jié)合化學(xué)蝕刻工藝的光刻技術(shù)來制造石墨烯 EM 網(wǎng)格。

圖4、用于 EM 網(wǎng)格制備的聚合物輔助石墨烯轉(zhuǎn)移方法。

2.3 石墨烯膜在多維EM成像中的4個(gè)“殺手級(jí)”應(yīng)用

2.31高分辨率 2D EM 成像

圖5、使用石墨烯EM網(wǎng)格的原子分辨率 TEM 成像

2.32 冷凍電鏡3D重建

圖6、使用化學(xué)功能化石墨烯 EM 網(wǎng)格在低溫 EM 中選擇性加載生物粒子

2.33動(dòng)態(tài)原位4D成像

圖6、原位液體電池EM成像的進(jìn)展

3 小結(jié)

　　在這篇綜述中，討論了用于高分辨率 EM 的石墨烯膜的制備和應(yīng)用。石墨烯膜在 EM 成像過程中具有低背景噪聲，因此可以清楚地觀察到氫原子等輕元素。此外，強(qiáng)大的機(jī)械強(qiáng)度使石墨烯EM網(wǎng)格足夠堅(jiān)固，可以加載各種類型的樣品，甚至可以在兩個(gè)石墨烯片之間封裝液體。兩種主要方法用于生產(chǎn)石墨烯 EM 網(wǎng)格：石墨烯轉(zhuǎn)移法和無轉(zhuǎn)移法。同時(shí)，石墨烯膜可以進(jìn)行化學(xué)改性和功能化，以滿足不同的要求。通過調(diào)整石墨烯膜的潤(rùn)濕性和化學(xué)活性，樣品分布變得更加均勻和可控。特別是在冷凍電鏡成像中，化學(xué)改性的石墨烯與標(biāo)本有很強(qiáng)的親和力。

　　獨(dú)特的石墨烯膜防止生物分子吸附在空氣-水界面，避免了生物分子的擇優(yōu)取向和顆粒變性。可以獲得具有相對(duì)少量分子的原子分辨率重建。對(duì)于原位EM成像，已經(jīng)開發(fā)了三代石墨烯液體電池，以對(duì)納米材料和生物分子進(jìn)行原子分辨率的動(dòng)態(tài)分析。所有這些優(yōu)勢(shì)都有助于石墨烯膜在高分辨率 2D 成像、低溫 EM 3D重建和4D原位液體EM中的廣泛使用。

　　盡管已經(jīng)為基于石墨烯的EM成像做出了許多努力，但仍有許多工作要做。在懸浮石墨烯膜的制備方面，由于破損和表面污染，在現(xiàn)場(chǎng)制備高質(zhì)量的懸浮石墨烯膜仍然具有挑戰(zhàn)性。因此，石墨烯網(wǎng)格的可用性仍然是石墨烯在EM中廣泛應(yīng)用的障礙。應(yīng)開發(fā)一種更通用的方法，以高產(chǎn)率將懸浮石墨烯膜沉積到任意多孔基板上。例如，超穩(wěn)定金（Au）網(wǎng)格有望減少冷凍 EM 成像中光束引起的試樣運(yùn)動(dòng)。高質(zhì)量的石墨烯薄膜可以轉(zhuǎn)移到有孔的金網(wǎng)格上。它有可能同時(shí)消除空氣-水界面和試樣運(yùn)動(dòng)問題。

　　對(duì)于高分辨率二維電磁成像，研究人員正在關(guān)注輕元素分子和材料的表征，例如生物分子、電池材料和聚合物材料。原子級(jí)薄的石墨烯膜可以為這些輕元素樣品提供高對(duì)比度。此外，石墨烯膜可用于封裝對(duì)光束敏感或空氣敏感的材料，因此可以在電磁成像下檢測(cè)材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。在冷凍電鏡3D重建中，石墨烯膜在改善樣品制備過程方面顯示出非凡的潛力，包括避免空氣-水界面、控制生物分子的方向、減少光束引起的運(yùn)動(dòng)，以及更好地控制樣品的厚度和均勻性。而且，低溫ET 和原子電子斷層掃描技術(shù)處于最需要平面樣品的領(lǐng)域。因此，超平懸浮石墨烯膜的發(fā)展可能在高分辨率EM成像中發(fā)揮關(guān)鍵作用。對(duì)于4D原位液體 EM，石墨烯液體電池可以充當(dāng)高效的微型反應(yīng)器。內(nèi)部的溫度和壓力等參數(shù)仍需要精確控制，以創(chuàng)造適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件。此外，石墨烯網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)可以專門設(shè)計(jì)用于更復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。例如，可以先將不同的反應(yīng)物封裝到單獨(dú)的液體結(jié)構(gòu)中，然后在EM成像期間將它們混合，以研究化學(xué)反應(yīng)的早期階段。石墨烯液體結(jié)構(gòu)也有可能與其他表征方法相結(jié)合，如用于光譜分析的激光脈沖激發(fā)。未來，石墨烯薄膜可應(yīng)用于更先進(jìn)的電磁成像，取得更多科學(xué)突破。