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從樣本中獲取更多信息的方法：超薄碳膜
在透射電子顯微鏡分析中，數(shù)據(jù)可靠性主要取決于樣本制備的質(zhì)量。雖然一些納米材料（例如納米顆粒和蛋白質(zhì)等），本身就是電子透明的，無(wú)需進(jìn)一步進(jìn)行減薄處理，但是它們?nèi)孕璺稚⒌奖≈С帜ど?。碳膜支持膜是電子透明的，因此可以避免支持膜材料信?hào)對(duì)樣品分析的干擾。無(wú)論是對(duì)納米材料還是生物納米結(jié)構(gòu)研究，碳支持膜的質(zhì)量和特性對(duì)樣品分析結(jié)果有重大的影響。
本應(yīng)用說(shuō)明介紹了如何以可重復(fù)的方式制備超薄碳膜。這些支持膜可廣泛應(yīng)用于各種納米結(jié)構(gòu)，有助于從樣本中獲得更多信息。
碳膜：如何定義“質(zhì)量"？
得益于機(jī)械強(qiáng)度、傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，碳膜是一種wan mei的支持膜材料。常規(guī)碳沉積方法重復(fù)性差，導(dǎo)致超薄碳膜的制備過(guò)程耗時(shí)耗力。通過(guò)這種方法所制備的碳膜結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，主要由碳蒸發(fā)參數(shù)決定，包括蒸發(fā)模式、真空度、蒸發(fā)率、工作距離和溫度。在詳細(xì)探討這些參數(shù)以及高質(zhì)量無(wú)定形碳膜的蒸發(fā)制備之前，我們必須先定義碳支持膜的“質(zhì)量"標(biāo)準(zhǔn)，然后再討論廣泛適用于電子顯微鏡應(yīng)用的碳支持膜需要滿足哪些條件。
對(duì)電子高透明度：支持膜的厚度和密度對(duì)圖像的襯度和分辨率有重要的影響。當(dāng)支持膜的 質(zhì)厚與樣品相當(dāng)時(shí)，就會(huì)減弱圖像中結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的強(qiáng)度。
對(duì)電子束轟擊有較大的耐受度
厚度均勻：支持膜的厚度對(duì)圖像分析、定量和電子斷層成像至關(guān)重要。
無(wú)任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面不平整和污染物問(wèn)題。
導(dǎo)電，以防止電荷積聚
易于制備和重復(fù)性高
然而，滿足上述條件的碳支持膜只是制備合格TEM樣品的第一步。第二步是將樣本添加至碳支持膜上。通常，樣本分散于水或溶劑中，其中經(jīng)常會(huì)含有剩余的反應(yīng)產(chǎn)物（例如表面活性劑、封端劑等），這些物質(zhì)很難去除，是TEM測(cè)試的污染源之一。即便在添加樣本之前預(yù)先清潔碳支持膜，樣本本身也還會(huì)引入污染物，并通過(guò)支持膜表面擴(kuò)散至目標(biāo)區(qū)域，在電子束作用下分解，并發(fā)生聚合反應(yīng)產(chǎn)生碳堆積，削弱樣品信號(hào)強(qiáng)度。很明顯，用于TEM樣本制備時(shí)，碳支持膜還需要滿足其它條件：
如果樣本分布于水中，支持膜應(yīng)通過(guò)輝光放電或能量較弱的等離子體進(jìn)行親水化處理。整個(gè)處理過(guò)程不能損壞碳支持膜，并且該親水化處理對(duì)均勻地分布納米材料或生物結(jié)構(gòu)十分重要。
支持膜需要具備較好的機(jī)械穩(wěn)定性，以便在研究過(guò)程中進(jìn)行操作。
支持膜應(yīng)能夠耐受其它后處理步驟，例如為清除污染物而執(zhí)行的高真空加熱處理。
簡(jiǎn)而言之，制備過(guò)程中有兩步是至關(guān)重要的：
在基材上獲得“高質(zhì)量"的薄碳膜
將支持膜轉(zhuǎn)移至合適的支持結(jié)構(gòu)。
在基材上蒸鍍超薄膜
制備超薄碳膜時(shí)可以使用多種方法，其中，常用的是將一層5 nm的非晶碳蒸鍍?cè)诰酆衔镏С帜ど?/strong>（聚合物可以是Formvar、Butvar、Collodion等），隨后將聚合物膜溶解。但是這種方法會(huì)導(dǎo)致剩余的碳膜產(chǎn)生褶皺。
另外，未溶解的聚合物會(huì)導(dǎo)致碳支持膜膜不均勻或引入雜質(zhì)。另一種適合制備超薄碳膜的方法，是直接將碳膜蒸鍍?cè)趧偹洪_的云母片上，并在水中分離碳膜，再將其轉(zhuǎn)移到Quantifoil或多孔碳膜上。為優(yōu)化碳支持膜的穩(wěn)定性和電荷消散性能，并減少成像過(guò)程中的振動(dòng)，支撐結(jié)構(gòu)也bi bu ke shao。
我們可以通過(guò)不同的碳蒸鍍方法獲得非晶碳膜，其中電弧蒸發(fā)預(yù)成型石墨棒是zui chang yong方法。在該制備過(guò)程中，在支持膜上容易沉積形成大顆粒，導(dǎo)致厚度分布不均勻。另一個(gè)缺點(diǎn)是蒸鍍過(guò)程中的輻射熱會(huì)損傷對(duì)溫度敏感的樣品，導(dǎo)致碳膜產(chǎn)生褶皺，而且會(huì)形成尺寸較大的碳簇。同時(shí)，蒸鍍過(guò)程中大幅提升的壓力也會(huì)進(jìn)一步促使這些碳簇形成（粒度變大）。
由此會(huì)導(dǎo)致在3-5 nm厚度的碳膜上，形成十分粗糙的表面。同時(shí)，高熱量也會(huì)影響石英晶振片的振蕩頻率，導(dǎo)致很難精確地、重復(fù)地制備碳膜。另外，高能蒸鍍的碳顆粒會(huì)形成較強(qiáng)的粘附作用，導(dǎo)致很難從云母基材上分離碳膜。很明顯，碳棒蒸發(fā)并不是重復(fù)地制備光滑超薄3 nm碳膜的*佳方法。
自適配的碳絲蒸發(fā)技術(shù)
靈活、精準(zhǔn)、可再現(xiàn)
自適配的碳線蒸發(fā)技術(shù)可精準(zhǔn)地、靈活地制備碳涂層，而且其適用性遠(yuǎn)超本應(yīng)用案例中介紹的超薄碳膜。它的高靈活性得益于其du te的自適配工藝和多段設(shè)置方式。除蒸發(fā)模式外，電子設(shè)備也十分重要，尤其是蒸鍍對(duì)均勻性和精確性高要求的超薄薄膜時(shí)。我們能夠通過(guò)多次蒸鍍獲得超薄碳膜，整個(gè)過(guò)程可以設(shè)置由4組碳絲以脈沖模式進(jìn)行蒸鍍，達(dá)到*高的精確性。
每次脈沖蒸鍍過(guò)程后，都會(huì)測(cè)定碳膜的厚度和剩余碳絲的狀態(tài)，以此為下一次脈沖調(diào)整參數(shù)。蒸鍍過(guò)程中穩(wěn)定的高真空狀態(tài)（5x10-6 mbar）可以使超薄碳層沉積的更均勻。通過(guò)該方法沉積的碳膜無(wú)任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不平整表面和污染物。另外，輻射到樣本的熱量也會(huì)顯著減少。如上圖所示，濾紙上連續(xù)地沉積了不同厚度的碳膜，從左至右厚度分別為：1、2、3、4和5 nm。另外，碳絲蒸鍍技術(shù)能均勻制備大面積樣品。下圖顯示了碳膜制備之前(A)和之后(B)大約10厘米的圓形濾紙狀態(tài)。
碳絲蒸鍍技術(shù)更重要的優(yōu)勢(shì)是兼具靈活性和可重復(fù)性。非晶碳膜的性能高度依賴于蒸鍍的參數(shù)，例如蒸發(fā)率、真空和使用的模式等。一旦蒸鍍方案經(jīng)過(guò)優(yōu)化并保存后，就能夠可靠地、重復(fù)地制備一樣性能的碳膜。由于碳膜始終是繁復(fù)的樣品制備流程的一部分，因此可重復(fù)性至關(guān)重要。
超薄碳膜：制備流程
1，在一個(gè)干凈的有蓋培養(yǎng)皿中加入超純水。
2，在培養(yǎng)皿的底部放一張濾紙，然后小心地在濾紙上放置Quantifoils或多孔碳膜。
3，使用碳絲蒸鍍模式，在5x10-6 mbar的真空度下，在剛裂開的云母片上蒸鍍3nm后碳膜。然后以30°傾角慢慢將蒸鍍碳膜的云母片放入水中。在毛細(xì)力作用下，水會(huì)滲入碳膜和云母片之間，促使碳膜分離。
4，慢慢將濾紙從水中取出，確保方形碳膜沉積在網(wǎng)格上。
5，將濾紙移至一張新濾紙上，排出大部分水分，然后在加熱板上加熱10分鐘（40攝氏度）。
6，碳膜制備完成。
不同于Quantifoil支持膜（參見圖F），多孔板上的超薄膜非常干凈、均勻。通過(guò)擴(kuò)散樣品方法制備TEM樣品的*佳程序是：用鑷子固定載網(wǎng)，然后滴入一小滴分散液（約5 µl）。然后，將載網(wǎng)邊緣放在濾紙上，吸干多余的液體。必要時(shí)，可對(duì)超薄碳膜進(jìn)行輝光放電或等離子體清洗（低泡沫，5%的氧氣，持續(xù)約30秒）。下圖展示了常規(guī)碳膜（左圖，15 nm碳）和超薄碳膜（右圖，3 nm）之間的區(qū)別。其中，右圖可以清楚地看到CdSe晶格點(diǎn)陣。
圖像由Eva Bladt和Sara Bals提供（安特衛(wèi)普大學(xué)EMAT）
樣品來(lái)源：Daniel Vanmaekelbergh，荷蘭烏得勒支大學(xué)德拜納米材料科學(xué)研究所
