一、米網(wǎng)膜【科學(xué)背景】
液態(tài)沉積的絡(luò)結(jié)量分料牛0D納米顆粒、1D納米線和2D納米片在電子設(shè)備、構(gòu)薄傳感器、視化術(shù)材催化劑和能源存儲領(lǐng)域表現(xiàn)出極大潛力。及定尤其是析技2D納米片，因其電子特性的米網(wǎng)膜多樣性和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，已被廣泛研究和應(yīng)用，絡(luò)結(jié)量分料牛如在晶體管、構(gòu)薄電容器等設(shè)備中。視化術(shù)材然而，及定這些設(shè)備的析技性能受限于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如，米網(wǎng)膜排列不整齊的絡(luò)結(jié)量分料牛MoS2納米片網(wǎng)絡(luò)的電子遷移率低，而排列整齊的構(gòu)薄網(wǎng)絡(luò)遷移率高。器件中介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)對于防止短路至關(guān)重要，網(wǎng)絡(luò)的孔隙度和彎曲度也影響設(shè)備的傳感和催化效果。雖然這些形態(tài)因素對設(shè)備性能至關(guān)重要，但由于對這些特性的控制有限，優(yōu)化這類設(shè)備的性能仍面臨挑戰(zhàn)。
汞侵入孔隙度法和N2 BET分析是測量納米片網(wǎng)絡(luò)孔隙和表面積的常用方法，但它們需要的樣品體積通常大于印刷薄膜器件的厚度，并且可能需要高溫處理，這可能改變樣品的結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡和掃描電鏡能提供表面和切面信息，但無法完整展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。X射線計算機(jī)斷層掃描和電子斷層掃描提供三維成像，但需要復(fù)雜的樣品制備，并在樣品體積與分辨率之間做出權(quán)衡。X射線納米CT的分辨率限制在幾十納米，不足以精確表征納米片網(wǎng)絡(luò)，且可能導(dǎo)致電池電極的孔隙連通性和表面積低估。3D TEM為非常薄的樣品提供亞納米級分辨率，但只能檢測約1微米大小的樣本，不適合較大的納米片網(wǎng)絡(luò)樣品。聚焦離子束-掃描電子顯微鏡納米層析成像(FIB-SEM-NT)技術(shù)提供了一種解決方案，它在較大樣品體積上提供高分辨率成像，適用于納米片網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究。
二、【科學(xué)貢獻(xiàn)】
近期，來自愛爾蘭都柏林三一學(xué)院的Jonathan N. Coleman研究團(tuán)隊使用FIB-SEM-NT技術(shù)進(jìn)行了高分辨率三維成像，研究印刷納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)。他們實現(xiàn)了5納米×5納米×15納米的體素精度，成功提取了關(guān)鍵的形態(tài)數(shù)據(jù)。研究涵蓋了石墨烯、WS2、AgNS薄膜和AgNW網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)這些材料的形態(tài)與其尺寸密切相關(guān)，并影響電阻率。研究還包括比較不同方法制備的石墨烯納米片網(wǎng)絡(luò)，并對其垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量分析。最后，研究者們通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法提高了FIB-SEM-NT成像的分辨率，優(yōu)化了三維圖像的質(zhì)量。
圖1 印刷石墨烯網(wǎng)絡(luò)的FIB-SEM納米層析成像
圖2 LPE石墨烯網(wǎng)絡(luò)的定量分析
在這項研究中，研究者利用聚焦離子束-掃描電子顯微鏡納米層析成像(FIB-SEM-NT)來定量表征印刷納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及其器件的形貌，并使用納米分辨率3D圖像。研究了納米片/納米線尺寸對石墨烯、WS2和銀納米片(AgNSs)印刷薄膜中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及銀納米線(AgNWs)網(wǎng)絡(luò)影響。該工作近期發(fā)表在Nature Comunications上，引起了不小的關(guān)注。
三、【創(chuàng)新點】
- 利用FIB-SEM-NT技術(shù)實現(xiàn)了高達(dá)5納米×5納米×15納米的體精度，在三維空間中精確捕捉和分析印刷納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)。
- 對不同材料（如石墨烯、WS2、AgNS薄膜和AgNW網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行研究，揭示了這些材料的微觀形態(tài)與其尺寸的關(guān)系，以及對電阻率的影響。
- 采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對FIB-SEM-NT成像技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了三維成像的辨率，為納米結(jié)構(gòu)的更深入分析和理解開辟了新的可能性。
四、【科學(xué)啟迪】
該研究提供了一個全面的工具包來提取網(wǎng)絡(luò)孔隙度、彎曲度、比表面積、孔隙尺寸和納米片方向等形態(tài)特征，并將其與網(wǎng)絡(luò)電阻率聯(lián)系起來。通過擴(kuò)展該技術(shù)來詢問印刷垂直異質(zhì)堆中的結(jié)構(gòu)和接口，展示了該技術(shù)在器件表征和優(yōu)化方面的潛力。
參考文獻(xiàn)：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44450-1.
