利用石墨烯液体池透射电子显微技术研究 原位 纳米晶体刻蚀

本实验的总体目标是将少量液体包裹在石墨烯片层之间，用于通过透射电子显微镜（TEM）对纳米材料进行成像。该方法有助于回答纳米材料领域中的关键科学问题，例如利用电子显微镜的高空间分辨率研究纳米晶体的生长与刻蚀过程。该技术的主要优势在于，研究团队可利用现有的样品杆开展液体池TEM实验，具有启动成本低、空间分辨率高的优点。

通常，初次接触该方法的研究人员会遇到困难，因为操作镀有石墨烯的透射电镜载网较为困难，需要大量练习。首先，从预先制备的铜基底石墨烯上裁剪出约两平方厘米的片状材料，其大小可容纳六至八个透射电镜载网。按照文本方案中详述的步骤清洗石墨烯后，将铜基底上的石墨烯展平，以去除任何微观褶皱。

为此，取两片干净的玻璃载玻片，并将一张折叠的擦拭纸放在底部的载玻片上。在擦拭纸上放置带有铜基底的石墨烯样品。最后，将第二片玻璃载玻片盖在上方。

按压顶部载玻片，逐渐抚平铜片上石墨烯的任何褶皱。减少擦拭纸巾的折叠次数，并重复按压过程。持续进行该操作，直至最后在两片玻璃载玻片之间进行一次无纸巾的最终按压。

将透射电镜（TEM）载网放置在铜片上的石墨烯表面，首先将带有微孔的无定形碳支持膜TEM载网放在石墨烯上，确保无定形碳面与石墨烯接触。在载网上滴加数滴异丙醇。让载网干燥超过两小时，以确保载网与石墨烯充分粘附。

该干燥过程可使带孔的非晶碳与石墨烯接触更充分。接下来，使用过硫酸钠溶液蚀刻铜。用镊子小心地将石墨烯-铜片放入过硫酸钠溶液中，确保铜面朝下。

让样品漂浮在过硫酸钠溶液表面，将带有石墨烯涂层的载网静置于溶液中过夜。注意，随着铜的蚀刻，溶液会逐渐变为蓝色；当蚀刻完成后，石墨烯片层后方将不再有可见的铜。

通过将漂浮的载网从溶液中取出，并将其放置在第二个培养皿中的洁净去离子水表面，以清洗掉过硫酸钠。重复此过程三次，以彻底去除石墨烯涂层载网上的过硫酸钠残留物。用镊子夹起载网。

将载网的石墨烯面朝上放置在滤纸上，使其自然干燥。取两个涂有石墨烯的透射电镜载网，将其石墨烯面朝上置于玻璃载片上。使用小型外科手术刀片，切去其中一个石墨烯涂层载网的边缘部分，切除面积约为载网总面积的四分之一至八分之一。

接下来，将约 0.5 微升待封装溶液的液滴置于未切割的石墨烯包被透射电镜（TEM）载网上。放置液滴时，使用镊子夹住 TEM 载网边缘，以防止毛细作用力使载网被抬起。务必将液滴置于 TEM 载网的中心位置，且液滴应尽可能小。

如果 TEM 载网制备得当，液滴将在疏水的石墨烯表面形成珠状。迅速而轻柔地将带有切角的石墨烯涂层 TEM 载网放置在液滴上方，切角朝上。目标是使第二个载网平稳地落在第一个载网上方，且不挤出液体。

等待五分钟，使石墨烯液体池腔室形成。将第二片透射电镜载网置于液滴上方时，需要仔细控制手部操作。通常最佳方法是先将上方载网的边缘轻轻放下，然后逐渐移开镊子。

将石墨烯液体池放入传统的透射电子显微镜单倾转样品杆中。将透射电镜样品杆装入透射电镜镜筒。按照文本方案中所述准备透射电镜后，在保持剂量率较低的条件下，开始在液体 pockets 中寻找纳米颗粒。

当在液体腔中发现纳米颗粒时，在保持低剂量率的同时精细调节纳米颗粒的焦距。利用校准曲线设置聚光镜电流，以达到所需的剂量率。开始采集透射电子显微镜（TEM）图像的时间序列，并将剂量率和时间戳等元数据嵌入图像文件中。

纳米晶体刻蚀的透射电子显微镜视频可被分解为各个独立的帧。对于每一帧，可使用图像分析软件勾勒出纳米晶体的轮廓。根据该轮廓，可确定纳米棒的长轴和短轴。

可以沿长轴切割二维轮廓。每根纳米棒一半的这些新轮廓均可通过绕长轴旋转来重构其三维形状。观看本视频后，您应能充分理解如何制备石墨烯液体池，用于电子显微镜下成像纳米材料。

尽管该方法可应用于纳米材料，也可用于在天然液体环境中研究软材料或生物材料。