如何利用超薄碳膜從樣本中獲取更多信息

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，無需進一步進行減薄處理，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號對樣品分析的干擾。無論是對納米材料還是生物納米結(jié)構(gòu)研究，碳支持膜的質(zhì)量和特性對樣品分析結(jié)果有重大的影響。
本應(yīng)用說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”？
得益于機械強度、傳導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢，碳膜是一種完美的支持膜材料。常規(guī)碳沉積方法重復(fù)性差，導(dǎo)致超薄碳膜的制備過程耗時耗力。通過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。在詳細探討這些參數(shù)以及高質(zhì)量無定形碳膜的蒸發(fā)制備之前，我們必須先定義碳支持膜的“質(zhì)量”標準，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。

1，對電子高透明度：支持膜的厚度和密度對圖像的襯度和分辨率有重要的影響。當支持膜的質(zhì)厚與樣品相當時，就會減弱圖像中結(jié)構(gòu)細節(jié)的強度。
2，對電子束轟擊有較大的耐受度
3，厚度均勻：支持膜的厚度對圖像分析、定量和電子斷層成像至關(guān)重要。
4，無任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面不平整和污染物問題。
5，導(dǎo)電，以防止電荷積聚
6，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，樣本本身也還會引入污染物，并通過支持膜表面擴散至目標區(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，削弱樣品信號強度。很明顯，用于TEM樣本制備時，碳支持膜還需要滿足其它條件：

1，如果樣本分布于水中，支持膜應(yīng)通過輝光放電或能量較弱的等離子體進行親水化處理。整個處理過程不能損壞碳支持膜，并且該親水化處理對均勻地分布納米材料或生物結(jié)構(gòu)十分重要,
2，支持膜需要具備較好的機械穩(wěn)定性，以便在研究過程中進行操作。
3，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。

考慮到上述條件，我們很明顯需要在支持膜膜厚度和穩(wěn)定性之間要做出取舍。最近，研究者也嘗試使用石墨烯作為支持膜材料，但是其涂層處理過程難度較大，而且在穩(wěn)定性方面（例如300 kV測量、采集時間延長、頻繁的網(wǎng)格移動），超薄碳支持膜是更好的選擇。為實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和電荷消散作用，超薄膜會發(fā)生局部平面偏差，而且在電子束照射或移動期間還可能會破裂。

簡而言之，制備過程中有兩步是至關(guān)重要的：
1，在基材上獲得“高質(zhì)量”的薄碳膜
2，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的非晶碳蒸鍍在聚合物支持膜上（聚合物可以是Formvar、Butvar、Collodion等），隨后將聚合物膜溶解。但是這種方法會導(dǎo)致剩余的碳膜產(chǎn)生褶皺。

另外，未溶解的聚合物會導(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，是直接將碳膜蒸鍍在剛撕開的云母片上，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，并減少成像過程中的振動，支撐結(jié)構(gòu)也必不可少。

我們可以通過不同的碳蒸鍍方法獲得非晶碳膜，其中電弧蒸發(fā)預(yù)成型石墨棒是最常用方法。在該制備過程中，在支持膜上容易沉積形成大顆粒，導(dǎo)致厚度分布不均勻。另一個缺點是蒸鍍過程中的輻射熱會損傷對溫度敏感的樣品，導(dǎo)致碳膜產(chǎn)生褶皺，而且會形成尺寸較大的碳簇。同時，蒸鍍過程中大幅提升的壓力也會進一步促使這些碳簇形成（粒度變大）。

由此會導(dǎo)致在3-5 nm厚度的碳膜上，形成十分粗糙的表面。同時，高熱量也會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形成較強的粘附作用，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碳膜的最佳方法。

自適配的碳絲蒸發(fā)技術(shù)，靈活、精準、可再現(xiàn)
自適配的碳線蒸發(fā)技術(shù)可精準地、靈活地制備碳涂層，而且其適用性遠超本應(yīng)用案例中介紹的超薄碳膜。它的高靈活性得益于其獨特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，尤其是蒸鍍對均勻性和精確性高要求的超薄薄膜時。我們能夠通過多次蒸鍍獲得超薄碳膜，整個過程可以設(shè)置由4組碳絲以脈沖模式進行蒸鍍，達到最高的精確性。

每次脈沖蒸鍍過程后，都會測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。通過該方法沉積的碳膜無任何內(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)。

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。通過擴散樣品方法制備TEM樣品的最佳程序是：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，可對超薄碳膜進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晶格點陣。

圖像由Eva Bladt和Sara Bals提供（安特衛(wèi)普大學EMAT）

樣品來源：Daniel Vanmaekelbergh，荷蘭烏得勒支大學德拜納米材料科學研究所

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