北大彭海琳课题组《AFM》：综述-用于多维电子显微成像的石墨烯膜：制备、应用与展望

2022-05-20 13:55:53 作者：石墨烯联盟来源：石墨烯联盟分享至：

1 成果简介

图1、使用石墨烯 EM 网格的EM成像的演变，从2D高分辨率EM成像到3D原子分辨率和4D原位动态表征。

　　电子显微镜（EM）的技术突破开启了EM成像的分辨率革命。如今，分辨率的提升需要为样品制备提供强大的无背景噪声EM支持，这是高分辨率EM成像的主要瓶颈。由于原子厚度和优异的物理性质，石墨烯在实现高分辨率多维成像的电磁领域引起了广泛关注。然而，制备高质量的悬浮石墨烯膜仍然具有挑战性。破损、污染和起皱等问题降低了悬浮石墨烯膜的质量，从而限制了其在EM成像中的广泛应用。

　　本文，北京大学彭海琳课题组在《Adv Funct Mater》期刊发表名为“Graphene Membranes for Multi-Dimensional Electron Microscopy Imaging: Preparation, Application and Prospect”的综述，对悬浮石墨烯膜进行了深入研究，用于多维EM成像。本研究首先简要介绍了EM的发展，然后讨论了高质量石墨烯的合成。然后总结了生产悬浮石墨烯膜的各种方法及其在多维 EM 表征中的应用，包括高分辨率2D成像、低温 EM 3D重建和4D原位液体EM。基于目前的成果，最终提出了石墨烯膜在更前沿应用的前景。

2 图文导读

2.1化学气相沉积法生长的高品质石墨烯薄膜

图2、通过化学气相沉积（CVD）生产石墨烯薄膜

图3、高质量石墨烯薄膜的生长

2.2 石墨烯/石墨烯衍生物电磁网格的制备方法

2.21石墨烯转移方法

　　为了制造用于高分辨率 EM 的悬浮石墨烯膜，应将生长在金属基板上的石墨烯薄膜转移到 EM 网格上。因此，开发简单有效的石墨烯转移方法变得很重要。常用的转移方法常涉及聚合物的载体。为了避免聚合物污染，需要一种不含聚合物的清洁转移方法。上述方法在石墨烯转移方法总是要处理污染和破损问题，这极大地影响了 EM 网格的良率和质量。B. Alema'n 等人。介绍了一种结合化学蚀刻工艺的光刻技术来制造石墨烯 EM 网格。

图4、用于 EM 网格制备的聚合物辅助石墨烯转移方法。

2.3 石墨烯膜在多维EM成像中的4个“杀手级”应用

2.31高分辨率 2D EM 成像

图5、使用石墨烯EM网格的原子分辨率 TEM 成像

2.32 冷冻电镜3D重建

图6、使用化学功能化石墨烯 EM 网格在低温 EM 中选择性加载生物粒子

2.33动态原位4D成像

图6、原位液体电池EM成像的进展

3 小结

　　在这篇综述中，讨论了用于高分辨率 EM 的石墨烯膜的制备和应用。石墨烯膜在 EM 成像过程中具有低背景噪声，因此可以清楚地观察到氢原子等轻元素。此外，强大的机械强度使石墨烯EM网格足够坚固，可以加载各种类型的样品，甚至可以在两个石墨烯片之间封装液体。两种主要方法用于生产石墨烯 EM 网格：石墨烯转移法和无转移法。同时，石墨烯膜可以进行化学改性和功能化，以满足不同的要求。通过调整石墨烯膜的润湿性和化学活性，样品分布变得更加均匀和可控。特别是在冷冻电镜成像中，化学改性的石墨烯与标本有很强的亲和力。

　　独特的石墨烯膜防止生物分子吸附在空气-水界面，避免了生物分子的择优取向和颗粒变性。可以获得具有相对少量分子的原子分辨率重建。对于原位EM成像，已经开发了三代石墨烯液体电池，以对纳米材料和生物分子进行原子分辨率的动态分析。所有这些优势都有助于石墨烯膜在高分辨率 2D 成像、低温 EM 3D重建和4D原位液体EM中的广泛使用。

　　尽管已经为基于石墨烯的EM成像做出了许多努力，但仍有许多工作要做。在悬浮石墨烯膜的制备方面，由于破损和表面污染，在现场制备高质量的悬浮石墨烯膜仍然具有挑战性。因此，石墨烯网格的可用性仍然是石墨烯在EM中广泛应用的障碍。应开发一种更通用的方法，以高产率将悬浮石墨烯膜沉积到任意多孔基板上。例如，超稳定金（Au）网格有望减少冷冻 EM 成像中光束引起的试样运动。高质量的石墨烯薄膜可以转移到有孔的金网格上。它有可能同时消除空气-水界面和试样运动问题。

　　对于高分辨率二维电磁成像，研究人员正在关注轻元素分子和材料的表征，例如生物分子、电池材料和聚合物材料。原子级薄的石墨烯膜可以为这些轻元素样品提供高对比度。此外，石墨烯膜可用于封装对光束敏感或空气敏感的材料，因此可以在电磁成像下检测材料的内在结构。在冷冻电镜3D重建中，石墨烯膜在改善样品制备过程方面显示出非凡的潜力，包括避免空气-水界面、控制生物分子的方向、减少光束引起的运动，以及更好地控制样品的厚度和均匀性。而且，低温ET 和原子电子断层扫描技术处于最需要平面样品的领域。因此，超平悬浮石墨烯膜的发展可能在高分辨率EM成像中发挥关键作用。对于4D原位液体 EM，石墨烯液体电池可以充当高效的微型反应器。内部的温度和压力等参数仍需要精确控制，以创造适当的反应条件。此外，石墨烯网格的结构可以专门设计用于更复杂的物理和化学过程。例如，可以先将不同的反应物封装到单独的液体结构中，然后在EM成像期间将它们混合，以研究化学反应的早期阶段。石墨烯液体结构也有可能与其他表征方法相结合，如用于光谱分析的激光脉冲激发。未来，石墨烯薄膜可应用于更先进的电磁成像，取得更多科学突破。