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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、應用與展望

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

1 成果簡介

圖1、使用石墨烯 EM 網格的EM成像的演變，從2D高分辨率EM成像到3D原子分辨率和4D原位動態表征。

　　電子顯微鏡（EM）的技術突破開啟了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。由于原子厚度和優異的物理性質，石墨烯在實現高分辨率多維成像的電磁領域引起了廣泛關注。然而，制備高質量的懸浮石墨烯膜仍然具有挑戰性。破損、污染和起皺等問題降低了懸浮石墨烯膜的質量，從而限制了其在EM成像中的廣泛應用。

　　本文，北京大學彭海琳課題組在《Adv Funct Mater》期刊發表名為“Graphene Membranes for Multi-Dimensional Electron Microscopy Imaging: Preparation, Application and Prospect”的綜述，對懸浮石墨烯膜進行了深入研究，用于多維EM成像。本研究首先簡要介紹了EM的發展，然后討論了高質量石墨烯的合成。然后總結了生產懸浮石墨烯膜的各種方法及其在多維 EM 表征中的應用，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用的前景。

2 圖文導讀

2.1化學氣相沉積法生長的高品質石墨烯薄膜

圖2、通過化學氣相沉積（CVD）生產石墨烯薄膜

圖3、高質量石墨烯薄膜的生長

2.2 石墨烯/石墨烯衍生物電磁網格的制備方法

2.21石墨烯轉移方法

　　為了制造用于高分辨率 EM 的懸浮石墨烯膜，應將生長在金屬基板上的石墨烯薄膜轉移到 EM 網格上。因此，開發簡單有效的石墨烯轉移方法變得很重要。常用的轉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移方法。上述方法在石墨烯轉移方法總是要處理污染和破損問題，這極大地影響了 EM 網格的良率和質量。B. Alema'n 等人。介紹了一種結合化學蝕刻工藝的光刻技術來制造石墨烯 EM 網格。

圖4、用于 EM 網格制備的聚合物輔助石墨烯轉移方法。

2.3 石墨烯膜在多維EM成像中的4個“殺手級”應用

2.31高分辨率 2D EM 成像

圖5、使用石墨烯EM網格的原子分辨率 TEM 成像

2.32 冷凍電鏡3D重建

圖6、使用化學功能化石墨烯 EM 網格在低溫 EM 中選擇性加載生物粒子

2.33動態原位4D成像

圖6、原位液體電池EM成像的進展

3 小結

　　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，強大的機械強度使石墨烯EM網格足夠堅固，可以加載各種類型的樣品，甚至可以在兩個石墨烯片之間封裝液體。兩種主要方法用于生產石墨烯 EM 網格：石墨烯轉移法和無轉移法。同時，石墨烯膜可以進行化學改性和功能化，以滿足不同的要求。通過調整石墨烯膜的潤濕性和化學活性，樣品分布變得更加均勻和可控。特別是在冷凍電鏡成像中，化學改性的石墨烯與標本有很強的親和力。

　　獨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取向和顆粒變性。可以獲得具有相對少量分子的原子分辨率重建。對于原位EM成像，已經開發了三代石墨烯液體電池，以對納米材料和生物分子進行原子分辨率的動態分析。所有這些優勢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，在現場制備高質量的懸浮石墨烯膜仍然具有挑戰性。因此，石墨烯網格的可用性仍然是石墨烯在EM中廣泛應用的障礙。應開發一種更通用的方法，以高產率將懸浮石墨烯膜沉積到任意多孔基板上。例如，超穩定金（Au）網格有望減少冷凍 EM 成像中光束引起的試樣運動。高質量的石墨烯薄膜可以轉移到有孔的金網格上。它有可能同時消除空氣-水界面和試樣運動問題。

　　對于高分辨率二維電磁成像，研究人員正在關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。原子級薄的石墨烯膜可以為這些輕元素樣品提供高對比度。此外，石墨烯膜可用于封裝對光束敏感或空氣敏感的材料，因此可以在電磁成像下檢測材料的內在結構。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、減少光束引起的運動，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處于最需要平面樣品的領域。因此，超平懸浮石墨烯膜的發展可能在高分辨率EM成像中發揮關鍵作用。對于4D原位液體 EM，石墨烯液體電池可以充當高效的微型反應器。內部的溫度和壓力等參數仍需要精確控制，以創造適當的反應條件。此外，石墨烯網格的結構可以專門設計用于更復雜的物理和化學過程。例如，可以先將不同的反應物封裝到單獨的液體結構中，然后在EM成像期間將它們混合，以研究化學反應的早期階段。石墨烯液體結構也有可能與其他表征方法相結合，如用于光譜分析的激光脈沖激發。未來，石墨烯薄膜可應用于更先進的電磁成像，取得更多科學突破。