从样本中获取更多信息的方法：超薄碳膜

徕卡显微系统

2022.9.22

作者徕卡

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在透射电子显微镜分析中，数据可靠性主要取决于样本制备的质量。虽然一些纳米材料（例如纳米颗粒和蛋白质等），本身就是电子透明的，无需进一步进行减薄处理，但是它们仍需分散到薄支持膜上。碳膜支持膜是电子透明的，因此可以避免支持膜材料信号对样品分析的干扰。无论是对纳米材料还是生物纳米结构研究，碳支持膜的质量和特性对样品分析结果有重大的影响。

本应用说明介绍了如何以可重复的方式制备超薄碳膜。这些支持膜可广泛应用于各种纳米结构，有助于从样本中获得更多信息。

碳膜：如何定义“质量”？

得益于机械强度、传导性和热稳定性等优势，碳膜是一种完美的支持膜材料。常规碳沉积方法重复性差，导致超薄碳膜的制备过程耗时耗力。通过这种方法所制备的碳膜结构和质量，主要由碳蒸发参数决定，包括蒸发模式、真空度、蒸发率、工作距离和温度。在详细探讨这些参数以及高质量无定形碳膜的蒸发制备之前，我们必须先定义碳支持膜的“质量”标准，然后再讨论广泛适用于电子显微镜应用的碳支持膜需要满足哪些条件。

对电子高透明度：支持膜的厚度和密度对图像的衬度和分辨率有重要的影响。当支持膜的质厚与样品相当时，就会减弱图像中结构细节的强度。

对电子束轰击有较大的耐受度

厚度均匀：支持膜的厚度对图像分析、定量和电子断层成像至关重要。

无任何内部结构、表面不平整和污染物问题。

导电，以防止电荷积聚

易于制备和重复性高

然而，满足上述条件的碳支持膜只是制备合格TEM样品的第一步。第二步是将样本添加至碳支持膜上。通常，样本分散于水或溶剂中，其中经常会含有剩余的反应产物（例如表面活性剂、封端剂等），这些物质很难去除，是TEM测试的污染源之一。即便在添加样本之前预先清洁碳支持膜，样本本身也还会引入污染物，并通过支持膜表面扩散至目标区域，在电子束作用下分解，并发生聚合反应产生碳堆积，削弱样品信号强度。很明显，用于TEM样本制备时，碳支持膜还需要满足其它条件：

如果样本分布于水中，支持膜应通过辉光放电或能量较弱的等离子体进行亲水化处理。整个处理过程不能损坏碳支持膜，并且该亲水化处理对均匀地分布纳米材料或生物结构十分重要。

支持膜需要具备较好的机械稳定性，以便在研究过程中进行操作。

支持膜应能够耐受其它后处理步骤，例如为清除污染物而执行的高真空加热处理。

考虑到上述条件，我们很明显需要在支持膜膜厚度和稳定性之间要做出取舍。最近，研究者也尝试使用石墨烯作为支持膜材料，但是其涂层处理过程难度较大，而且在稳定性方面（例如300 kV测量、采集时间延长、频繁的网格移动），超薄碳支持膜是更好的选择。为实现良好的稳定性和电荷消散作用，超薄膜会发生局部平面偏差，而且在电子束照射或移动期间还可能会破裂。

简而言之，

制备过程中有两步是至关重要的：

在基材上获得“高质量”的薄碳膜
将支持膜转移至合适的支持结构。

在基材上蒸镀超薄膜

制备超薄碳膜时可以使用多种方法，其中，常用的是将一层5 nm的非晶碳蒸镀在聚合物支持膜上（聚合物可以是Formvar、Butvar、Collodion等），随后将聚合物膜溶解。但是这种方法会导致剩余的碳膜产生褶皱。

另外，未溶解的聚合物会导致碳支持膜膜不均匀或引入杂质。另一种适合制备超薄碳膜的方法，是直接将碳膜蒸镀在刚撕开的云母片上，并在水中分离碳膜，再将其转移到Quantifoil或多孔碳膜上。为优化碳支持膜的稳定性和电荷消散性能，并减少成像过程中的振动，支撑结构也必不可少。

我们可以通过不同的碳蒸镀方法获得非晶碳膜，其中电弧蒸发预成型石墨棒是最常用方法。在该制备过程中，在支持膜上容易沉积形成大颗粒，导致厚度分布不均匀。另一个缺点是蒸镀过程中的辐射热会损伤对温度敏感的样品，导致碳膜产生褶皱，而且会形成尺寸较大的碳簇。同时，蒸镀过程中大幅提升的压力也会进一步促使这些碳簇形成（粒度变大）。

由此会导致在3-5 nm厚度的碳膜上，形成十分粗糙的表面。同时，高热量也会影响石英晶振片的振荡频率，导致很难精确地、重复地制备碳膜。另外，高能蒸镀的碳颗粒会形成较强的粘附作用，导致很难从云母基材上分离碳膜。很明显，碳棒蒸发并不是重复地制备光滑超薄3 nm碳膜的最佳方法。

自适配的碳丝蒸发技术

灵活、精准、可再现

自适配的碳线蒸发技术可精准地、灵活地制备碳涂层，而且其适用性远超本应用案例中介绍的超薄碳膜。它的高灵活性得益于其独特的自适配工艺和多段设置方式。除蒸发模式外，电子设备也十分重要，尤其是蒸镀对均匀性和精确性高要求的超薄薄膜时。我们能够通过多次蒸镀获得超薄碳膜，整个过程可以设置由4组碳丝以脉冲模式进行蒸镀，达到最高的精确性。

每次脉冲蒸镀过程后，都会测定碳膜的厚度和剩余碳丝的状态，以此为下一次脉冲调整参数。蒸镀过程中稳定的高真空状态（5x10-6 mbar）可以使超薄碳层沉积的更均匀。通过该方法沉积的碳膜无任何内部结构、不平整表面和污染物。另外，辐射到样本的热量也会显著减少。如上图所示，滤纸上连续地沉积了不同厚度的碳膜，从左至右厚度分别为：1、2、3、4和5 nm。另外，碳丝蒸镀技术能均匀制备大面积样品。下图显示了碳膜制备之前(A)和之后(B)大约10厘米的圆形滤纸状态。

碳丝蒸镀技术更重要的优势是兼具灵活性和可重复性。非晶碳膜的性能高度依赖于蒸镀的参数，例如蒸发率、真空和使用的模式等。一旦蒸镀方案经过优化并保存后，就能够可靠地、重复地制备一样性能的碳膜。由于碳膜始终是繁复的样品制备流程的一部分，因此可重复性至关重要。

超薄碳膜：制备流程

在一个干净的有盖培养皿中加入超纯水。

在培养皿的底部放一张滤纸，然后小心地在滤纸上放置Quantifoils或多孔碳膜。

使用碳丝蒸镀模式，在5x10-6 mbar的真空度下，在刚裂开的云母片上蒸镀3nm后碳膜。然后以30°倾角慢慢将蒸镀碳膜的云母片放入水中。在毛细力作用下，水会渗入碳膜和云母片之间，促使碳膜分离。

慢慢将滤纸从水中取出，确保方形碳膜沉积在网格上。

将滤纸移至一张新滤纸上，排出大部分水分，然后在加热板上加热10分钟（40摄氏度）。

碳膜制备完成。

不同于Quantifoil支持膜（参见图F），多孔板上的超薄膜非常干净、均匀。通过扩散样品方法制备TEM样品的最佳程序是：用镊子固定载网，然后滴入一小滴分散液（约5 µl）。然后，将载网边缘放在滤纸上，吸干多余的液体。必要时，可对超薄碳膜进行辉光放电或等离子体清洗（低泡沫，5%的氧气，持续约30秒）。下图展示了常规碳膜（左图，15 nm碳）和超薄碳膜（右图，3 nm）之间的区别。其中，右图可以清楚地看到CdSe晶格点阵。