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構研究，碳支持膜的質(zhì)量和特性對樣品分析結果有重大的影響。

本應用說明介紹了如何以可重復的方式制備超薄碳膜。這些支持膜可廣泛應用于各種納米結構，有助于從樣本中獲得更多信息。

得益于機械強度、傳導性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢，碳膜是一種wan mei的支持膜材料。常規(guī)碳沉積方法重復性差，導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構和質(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用的碳支持膜需要滿足哪些條件。

• 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，就會減弱圖像中結構細節(jié)的強度。

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：

• 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。

• 支持膜應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。

   

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。但是這種方法會導致剩余的碳膜產(chǎn)生褶皺。

另外，未溶解的聚合物會導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，支撐結構也bi bu ke shao。

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)預成型石墨棒是zui chang yong方法。在該制備過程中，在支持膜上容易沉積形成大顆粒，導致厚度分布不均勻。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，導致很難精確地、重復地制備碳膜。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)并不是重復地制備光滑超薄3 nm碳膜的*佳方法。

自適配的碳線蒸發(fā)技術可精準地、靈活地制備碳涂層，而且其適用性遠超本應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置方式。除蒸發(fā)模式外，電子設備也十分重要，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，整個過程可以設置由4組碳絲以脈沖模式進行蒸鍍，達到*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)部結構、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)。

碳絲蒸鍍技術更重要的優(yōu)勢是兼具靈活性和可重復性。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)過優(yōu)化并保存后，就能夠可靠地、重復地制備一樣性能的碳膜。由于碳膜始終是繁復的樣品制備流程的一部分，因此可重復性至關重要。

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*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