According to the classical nucleation theory nucleation proceeds as a one-step process, while two-step nucleation process were proposed recently. Also, classical growth model describes an amplification of stable nuclei while alternative growth mechanism includes aggregation of building blocks. In classical growth model, the growth take place simply nuclei enlarged by unit-cell replication without causing internal and surface structural changes. However, alternative growth theory describes growth takes place either/both growth by monomer attachment or/and by nanometric building block attachment through aggregation.
The universal theoretical simulation and calculation of nucleation and growth are not yet well established, the experimental investigation of nucleation and growth also yet be explored. Although much progress has been made for imaging and spectroscopy of nanoparticle growth, many problems still need to be resolved. Thus, we set aims for imaging of nanoparticle growth at atomic resolution.
In this research, two big categories of metal nanoparticle growth were investigated using real-time transmission electron microscopy. One is the coalescence of Au nanoparticles and the other is the growth of Pt nanoparticles by monomer attachment in growth solution. The detailed accomplishments are listed as follows.
First, using in situ transmission electron microscopy, we demonstrated that gold nanoparticles are unified via ‘‘oriented attachment’’ assisted either by nanoparticle rotation or grain boundary migration at the attachment interface. We also observed that the combined nanoparticle changes shape with stable facet planes via surface diffusion, along with recrystallization.
Second, we demonstrated the graphene liquid cell for encapsulating liquid in TEM environment. Single or multilayer graphene act as a viewing window to observe phenomenon occurring in the liquid. Also, we examine the availability of atomic level observation of nanoparticle growth using graphene liquid cell.
Third, we performed the direct observation of Pt nanoparticles growth in liquid solution. It is significant important to understand how nanoparticle grow for the design of materials. However, direct observation of nanoparticle growth is restricted due to technical problems. We performed direct observation of Pt nanoparticle growth using graphene liquid cell and aberration corrected transmission electron microscopy. By tracking surface of nanoparticle, we observed which surface consist nanoparticle during growth. Also, we examine how low index surface grow and how to form the morphology
초기 핵생성 이론에서는 1단계로 핵생성이 일어나며 초기 입자성장 모델에서는 간단하게 핵이 monomer growth나 Ostwald ripening에 의해 성장이 일어나는 것으로 취급되었다. 하지만 입자 내부적인 변화나 표면적인 변화를 무시하였다는 문제점이 있으며 이를 보안하고자 최근에는 2단계 핵생성 이론과 입자간의 상호작용에 의해 성장하는 모델이 도입되는 등 초기 핵생성과 성장 이론은 조금씩 변화되었다.
일반적인 핵생성과 성장에 관한 계산학적인 이론과 시뮬레이션은 많은 발전을 하였지만 여전히 정립되지 못하였고, 실험적인 결과 또한 완전하게 이루어지지 않았다. 나노입자 성장의 실험적인 툴은 많은 발전을 이루어왔지만, 여전히 많은 문제점이 있다. 그래서 본 연구의 주제를 원자분해능 수준으로 실시간 투과전자현미경을 이용하여 나노입자의 성장과정을 살펴보고 분석하는 것으로 하였다.
본 연구는 실시간 투과전자현미경을 이용하여 나노입자의 monomer growth와 coalescence를 원자 분해능으로 살펴보았는데, 첫번째는 그래핀을 투과전자현민경의 지지막으로 이용하여 금 나노입자의 융합과정을 살펴보았다. 그리고 두 번째는 그래핀 액상셀을 이용하여 액체속에서 백금 나노입자가 monomer growth으로 성장하는 과정을 관찰하였다.
첫번째 챕터에서는, 금 나노입자가 나노입자의 회전에 의한 ‘oriented attachment’과 접촉 계면에서의 결정립계의 이동에 의해 융합하였다. 또한, 나노입자가 표면 확산에 의하여 안정적인 면으로 이루어질 때 까지 모양의 변화를 관찰하였고 분석하였다.
두번재 챕터에서는, 진공의 투과전자현미경내에서 액체상태의 물질을 관찰하기 위하여 그래핀 액상셀에 대해 살펴보았다. 두 그래핀층 사이에 가두어진 액체는 진공분위기의 투과전자현미경 안에서도 안정적이었으며, 액체 내부의 나노입자의 성장이 원자분해능으로 관찰할 수 있음을 보였다.
마지막 챕터에서는, 앞선 투과전자현미경과 그래핀 액상셀을 이용하여 백금 전구체가 포함된 액체내에서 백금 나노입자가 성장하는 과정을 원자분해능으로 실시간 관찰하였다. 백금 나노입자는 monomer growth로 성장하였으며, {111}과 {100}의 면으로 이루어진 과정을 관찰하여 그 메커니즘을 밝혀내었으며, 표면확산이 나노입자의 모양에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
