Nat. Commun.：纳米网络结构薄膜的三维可视化及定量分析技术

一、【科学背景】

液态沉积的0D纳米颗粒、1D纳米线和2D纳米片在电子设备、传感器、催化剂和能源存储领域表现出极大潜力。尤其是2D纳米片，因其电子特性的多样性和生产技术的进步，已被广泛研究和应用，如在晶体管、电容器等设备中。然而，这些设备的性能受限于其网络结构。例如，排列不整齐的MoS2纳米片网络的电子迁移率低，而排列整齐的网络迁移率高。器件中介质层的结构对于防止短路至关重要，网络的孔隙度和弯曲度也影响设备的传感和催化效果。虽然这些形态因素对设备性能至关重要，但由于对这些特性的控制有限，优化这类设备的性能仍面临挑战。

汞侵入孔隙度法和N2 BET分析是测量纳米片网络孔隙和表面积的常用方法，但它们需要的样品体积通常大于印刷薄膜器件的厚度，并且可能需要高温处理，这可能改变样品的结构。原子力显微镜和扫描电镜能提供表面和切面信息，但无法完整展示内部结构。X射线计算机断层扫描和电子断层扫描提供三维成像，但需要复杂的样品制备，并在样品体积与分辨率之间做出权衡。X射线纳米CT的分辨率限制在几十纳米，不足以精确表征纳米片网络，且可能导致电池电极的孔隙连通性和表面积低估。3D TEM为非常薄的样品提供亚纳米级分辨率，但只能检测约1微米大小的样本，不适合较大的纳米片网络样品。聚焦离子束-扫描电子显微镜纳米层析成像(FIB-SEM-NT)技术提供了一种解决方案，它在较大样品体积上提供高分辨率成像，适用于纳米片网络等复杂结构的详细研究。

二、【科学贡献】

近期，来自爱尔兰都柏林三一学院的Jonathan N. Coleman研究团队使用FIB-SEM-NT技术进行了高分辨率三维成像，研究印刷纳米结构网络的形态。他们实现了5纳米×5纳米×15纳米的体素精度，成功提取了关键的形态数据。研究涵盖了石墨烯、WS2、AgNS薄膜和AgNW网络，发现这些材料的形态与其尺寸密切相关，并影响电阻率。研究还包括比较不同方法制备的石墨烯纳米片网络，并对其垂直异质结构进行了定量分析。最后，研究者们通过机器学习算法提高了FIB-SEM-NT成像的分辨率，优化了三维图像的质量。

图1 印刷石墨烯网络的FIB-SEM纳米层析成像

图2 LPE石墨烯网络的定量分析

在这项研究中，研究者利用聚焦离子束-扫描电子显微镜纳米层析成像(FIB-SEM-NT)来定量表征印刷纳米结构网络及其器件的形貌，并使用纳米分辨率3D图像。研究了纳米片/纳米线尺寸对石墨烯、WS₂和银纳米片(AgNSs)印刷薄膜中网络结构以及银纳米线(AgNWs)网络影响。该工作近期发表在Nature Comunications上，引起了不小的关注。

三、【创新点】

1. 利用FIB-SEM-NT技术实现了高达5纳米×5纳米×15纳米的体精度，在三维空间中精确捕捉和分析印刷纳米结构网络的形态。
2. 对不同材料（如石墨烯、WS2、AgNS薄膜和AgNW网络）进行研究，揭示了这些材料的微观形态与其尺寸的关系，以及对电阻率的影响。
3. 采用机器学习算法对FIB-SEM-NT成像技术进行优化，提高了三维成像的辨率，为纳米结构的更深入分析和理解开辟了新的可能性。

四、【科学启迪】

该研究提供了一个全面的工具包来提取网络孔隙度、弯曲度、比表面积、孔隙尺寸和纳米片方向等形态特征，并将其与网络电阻率联系起来。通过扩展该技术来询问印刷垂直异质堆中的结构和接口，展示了该技术在器件表征和优化方面的潜力。

参考文献：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44450-1.