石墨烯让纳米粒子3D成像更加精确

劳伦斯柏克莱国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）的研究人员使用单层石墨烯作为一个清晰类透镜盖（Lens-like Cap）—称为石墨烯电池液（Graphene Liquid Cell，GLC）—为单个胶状纳米粒子的原子创造新的成像系统。这个过程将大大简化反覆试验原子级（Atomic-scale）工程学的设计和重新设计过程，LBNL的工作人员说。

大多数电子产业使用的纳米粒子都存在于流体溶液中，且也被允许可处于干燥状态。常用的透射电子显微镜（TEM）可在纳米粒子干燥后为其成像，但是干燥的流体往往会扭曲纳米粒子的结构，而校正结构的过程通常相当复杂，一个设计完成在之前，须经过反覆多次的试验。LBNL的石墨烯可作为敏感纳米粒子的保护层。

“作为保护层，石墨烯可能是最薄的（每张纸只有1个原子厚），可保护TEM真空室里的液体样品。”LBNL暨Molecular Foundry国家电子显微镜中心（National Center for Electron Microscopy）的科学家Peter Ercius说，“纳米粒子在液体中可以自由移动和旋转，向我们展示许多不同的视角，而这些视角被组合于一台电脑中，以生成纳米粒子架构的3D模型，我们所使用的容器只比纳米颗粒的尺寸稍大一些。”

Ercius的团队第一次使用的新技术，他们称之为“SINGLE”—由石墨烯电池液电子显微镜鉴定的纳米粒子结构（Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid Cell Electron Microscopy）—可在电脑中显示3D模型，目的在于设计可以组合在一起的“积木”，以形成更大的特定电子和物理特性架构，满足现今许多产业需求。

SINGLE使用TEM为在GLC中自由旋转的铂纳米粒子成像，以确定个别的胶体纳米颗粒3D结构。

“我们的作法可能会影响现有液体生成的结构，且我们确定如何透过组合较小的结构建立较大架构。这可能也会对使用纳米粒子的制程有很大的影响，如催化（Catalysis），这是由于我们能够探索在原生液体环境中的纳米粒子3D结构。”Ercius告诉EE Times。

在电子领域，纳米粒子被用在越来越多的各类新装置上，并改善现有装置的效能。例如，太阳能板（Solar Panel）和纳米电子电路都可以使用纳米粒子作为量子点，在光子到电子设备提高太阳能板的输出，以及让先进的半导体结点可接近原子等级。

Ercius并指出，量子点的原子结构，包括他们的形状、表面和内部缺陷，都是调整其性能的关键参数，我们的方法可用于确定量子点的结构特性，从而提高其设计应用，包括光电子（Photonics）。

在LBNL，Ercius的下一步将使用更快的每秒400帧的摄影镜头，以更精确的构造出TR3D模型，精准度可超越他们现在拥有的2纳米精准度设备。

“我们的下一步是推动这项技术在粒子中使用的单个元素内，找到所有的原子。新的摄影机现在已经安装在我们的TEM上，并可以10倍的速度获得更高品质的照片，这应该可以协助我们实现此一目标。”Ercius进一步说明，“我们还计画去探索我们可以重建多大的粒子。”

最终，该技术可以用来组装完整的电子和光子材料和甚至完整的装置，使用从下而上的方法结合不同的元件，透过每个纳米粒子表面的编码，使他们自动扣在一起。

在LNBL的SINGLE是由美国国家能源部（U.S. Department of Energy）透过一个由多机构团队资助的研究人员所发明，也是由在Molecular Foundry的柏克莱实验室总监，暨科维（Kavli）柏克莱分校能源纳米研究所（Energy NanoScience Institute，ENSI）所长Paul Alvisatos所主导。其他参与者包括哈佛大学（Harvard University）教授Jungwon Park、澳大利亚莫纳什大学（Australia’s Monash University）教授Hans Elmlund，以及博士后和博士生Jong Min Yuk、David Limmer、Qian Chen、Kwanpyo Kim、Sang Hoon Han、David Weitz与Alex Zettl。