这台电镜，换样仅需3分钟，助力铜硫化物研究登上Chem. Mater.！
发布日期：2024-04-16
5/25kV低电压设计，无需染色
集TEM, STEM, ED, EDS, Dark Field TEM, Dark Field STEM于一体
换样仅需3 min
成本低廉
无需冷却水
无需专业实验室
维护成本低
低电压台式透射电子显微镜
铜硫化物纳米棒是一种重要的半导体材料，在光电子、光催化和能源存储等领域展示出广泛的应用前景。近日，宾夕法尼亚大学研究团队[1]聚焦于硫化铜纳米粒子，采用一种革命性的后合成转化方法，成功制备出三种不同的Cu2−xS−Cu2−xSe纳米异质结构，并利用LVEM系列低电压台式透射电子显微镜对不同的纳米异质结进行了成像表征。这项前沿研究不仅对传统的方法论提出来了挑战，还为精确设计和合成具有定制属性的先进纳米材料开辟了新的视野。文章以《Temperature-Dependent Selection of Reaction Pathways, Reactive Species, and Products during Postsynthetic Selenization of Copper Sulfide Nanoparticles》为题发表于《Chem. Mater.》上。
这项研究的创新性之处在于，在硫化铜纳米棒的后合成过程中，通过精确控制反应温度，成功引导硒化反应形成了具有独特形态和成分的Cu2−xS−Cu2−xSe纳米异质结构。这些结构在光催化产氢、优化光伏量子点墨水以及光电子学和能源存储等领域具有广泛的应用前景，为相关领域的重大进步铺平了道路。
Cu2−xS 纳米棒合成后转化为三种不同 Cu2−xS−Cu2−xSe 纳米异质结构的过程示意图 [Cu2−xS = 青色，Cu2−xSe = 粉红色，Cu2−x(S,Se) =紫色]与粒子尺寸。Cu2−xS−Cu2−xSe纳米异质结构是将 Cu2−xS 纳米棒 (b,c) 注入保持在 185 °C (d,e)、200 °C (f,g) 的 Se/ddt/十八碳烯混合物中而得到的260°C (h,i) 2 小时。 HR-TEM 显示颗粒形态在较低温度下从棒状 (b) 到多面砖 (d) 和菱形 (f) 的变化，而在高温下 (h) 棒形态保持不变。 STEM-EDS 图（蓝色 = Cu，绿色 = S，洋红色 = Se）显示 Cu2−xSe 积分如何变化。 Cu2−xS/Cu2−xSe 核/壳在 185 °C 下形成 (d)。在 200 °C 时，围绕多面主要 Cu2−xS 核心形成 Cu2−xSe 的三角形沉积物 (f)。在 260 °C (h) 下，S 和 Se 与 Cu 均匀分布。 PXRD 展示了晶体结构的演变，从最初的铁锰矿 Cu1.8S 结构（c，与 ICSD 00-023-0958 相比）到 185 °C 下的立方菱锰矿 Cu2−xSe（e，与 ICSD 01-088-2043 相比） ，到具有第二相的绿柱石 (g)，以及在 260 °C 时晶格收缩的纤锌矿31 (i)。
本研究中，Delong公司的LVEM系列低电压台式透射电子显微镜为观察不同反应温度下硫化铜纳米棒向Cu2−xS−Cu2−xSe纳米异质结构的转化提供了关键的成像数据支撑。如上图所示，在较低的温度（185°C和200°C）下，TEM成像揭示了硫化铜纳米棒演变为具有明确Cu2−xS和Cu2−xSe相分离的核壳结构；而在较高温度（260°C）下，纳米棒保持了其形态，表明硒的均匀掺杂形成了Cu2−x(S,Se)固溶体。
Cu2−xSe 纳米菱形的示意图。Cu2−xS 纳米棒在 Se/ddt/十八碳烯中于 200 °C 反应 30 分钟、1 小时和 2 小时的 TEM (a−c) 显示了随着尖端变尖和在棒侧面形成沉积物的形状演变。 10 分钟 (e) 和 1 小时 (f) 时的 STEM-EDS 显示沉积物为 Cu2−xSe，限制在边缘，并在 1 小时时开始聚结
LVEM系列低电压台式透射电子显微镜的高分辨率成像功能使研究人员能够观察到纳米异质结构内部的晶体格点，为深入理解纳米材料的晶体相和电子结构提供了基础。通过精确捕捉纳米尺度上的结构信息，为定量分析提供了重要数据，进一步支持了温度对选择反应路径具有决定性影响的结论。
LVEM系列低电压台式透射电子显微镜与传统透射电镜的对比：
| 传统透射电镜 | LVEM |
| 操作模式：TEM | 操作模式：TEM, STEM, ED, EDS, Dark Field TEM, Dark Field STEM |
| 放大倍数高，分辨率0.2 nm左右 | 分辨率：1.5nm（LVEM5）1nm (LVEM25E) |
| 进样速度慢，约15-30分钟 | 进样速度快，约3分钟 |
操作复杂：操作人员需经过长期的严格培训 为保证设备正常运行，好是专门做电镜的研究生操作，人工成本高 | 操作简单：半天培训即可独立操作 无需专人操作 |
| 放置于一层或地下室，需要特殊处理的实验室，需防震处理，环境要求高 | 可放置于任何位置，厂房、办公室、实验室 |
需要动力电（不能断电）、需要水冷机、液氮等 维护成本高 | 无需特殊电源，无需水冷、液氮 维护成本低 |
LVEM系列低电压台式透射电子显微镜新应用案例
聚合物/高分子材料
TEM模式
SEM模式和STEM模式
其他材料
TEM模式
SEM模式
STEM模式和ED模式
参考文献：
[1]. Temperature-Dependent Selection of Reaction Pathways, Reactive Species, and Products during Postsynthetic Selenization of Copper Sulfide Nanoparticles[J].Chemistry of Materials, 2023, 35(21):9073-9085.DOI:10.1021/acs.chemmater.3c01772.
