一種透射電子顯微鏡用超薄原位液體樣品室及其輔助安裝裝置和安裝方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種透射電子顯微鏡用超薄原位液體樣品室及其輔助安裝裝置和安裝方法。具體涉及一種單一橡膠圈(o-ring)代替多橡膠圈的超薄原位液體樣品室，用輔助安裝設備協助組裝代替旋轉安裝組裝方式。相比于現行的原位液體樣品室，新的安裝方式更便于使原位液體樣品室厚度減薄，寬度變窄，有利于在透射電鏡有限的真空腔內，實現原位液體樣品室上更多功能的搭載，推動液體原位電鏡朝多功能化、高集成化發展。
【背景技術】
[0002]透射電子顯微鏡(透射電鏡)由于其超高圖像分辨率，已經成為納米材料、物理、化學、半導體工藝、新能源材料、生物醫藥等眾多領域進行前沿研究重要的工具。透射電鏡除了簡單成像以外，還可以通過樣品傾轉、衍射、能譜分析，以及增加原位通電、原位升降溫功能、引入光信號等對試樣進行多方面綜合分析。這些領域中許多材料制備、應用、和物理化學的基本變化過程均與液體環境有關。由于需要在高真空條件下工作，傳統的電子顯微鏡無法觀察液體環境中的納米材料和液體環境中的動態過程，大大局限了透射電鏡的可應用范圍，限制了人們對液體中真實納米過程的了解。
[0003]透射電鏡用的原位液體樣品室(In-situ wet-cell for TEM)是近幾年發展起來的一種實現在透射電子顯微鏡的真空室中觀察液體樣品的工具。電子顯微鏡發展之初，人們就想過用密封材料將液體樣品封裝放入電鏡下觀察。但因為當時技術水平的限制，并未發展出能夠廣泛應用的裝置。近年來國際上采用兩片由先進半導體芯片技術微加工制造的納米厚度的薄膜窗口加以密封，將液體約束在真空環境里，既不會使液體揮發掉，同時確保電子束可以穿透，成功用于在透射電鏡中對液體樣品的觀察，在國際上受到高度重視。薄膜窗口通常用高強度的氮化硅等材料制備，這種氮化硅窗口厚度可以做到50nm以下，因此窗口可以透過電子束，并且對電子束散射很小[M.J.Williamson, et al., Dynamicmicroscopy of nanoscale cluster growth at the solid-liquid interface, NatureMaterials，2003，2(8): 532-536；X.Chen, J.Wen，In situ wet-cel1 TEMobservat1n of gold nanoparticle mot1n in an aqueous solut1n, NanoscaleResearch Letters, 2012，7(1): 598; J.M.Grogan, L.Rotkina，Η.H.Bau，Insitu liquid-cell electron microscopy of colloid aggregat1n and growthdynamics, Physical Review E，2011，83(6): 061405.]0
[0004]原位液體樣品室的設計和使用需要考慮多種因素。一方面透射電鏡這種高級精密儀器的樣品觀察空間通常很小，這就要求液體樣品室做的盡可能小，這不僅是為了使液體樣品室能夠放到透射電鏡中進行常規使用，還是為了便于給液體樣品室增加各種分析使用功會Chen, et al., In situ electrochemical wet cell transmiss1n electronmicroscopy characterizat1n of solid-liquid interact1ns between Ni andaqueous N1CI2, Acta Materialia, 2012，60(1): 192-198.]。另一方面在使用中對液體樣品室的封裝過程具有很高的要求:封裝過程如果處理不好，將會影響對液體樣品的密封性;如果操作過程設計不理想及動作不夠精確，將會導致納米厚度的薄膜窗口材料的破裂，造成組裝失敗；另外因兩層薄膜窗口之間的液體層必須很薄從而保證電子束穿透，因此液體室中密封的液體量必須嚴格控制，如果組裝不能快速實現，會導致液體在組裝完成之前揮發掉，這也是液體室組裝失敗的重要原因。同時以上這兩方面因素又是相互影響和相互制約的。
[0005]以上提到M.J.Williamson等發展的液體樣品室主要是通過用真空樹脂對氮化硅窗口進行對粘組裝的，雖然取得了巨大成功，但也有明顯不足之處:1、樣品室適合一次性使用，難以有效回收利用；2，在用樹脂密封的時候，樹脂的用量不易掌握，用的太多樹脂易進入液體層造成樣品污染，用的太少，密封性降低。
[0006]相比較而言采用多橡膠圈密封的液體樣品室設計[R.Franks, et al.，A studyof nanomaterial dispers1n in solut1n by wet-cel1 transmiss1n electronmicroscopy, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2008，8(9): 4404-4407.]操作略顯容易，更易于推廣，因此國際上目前已經有兩家商業公司在生產銷售這類產品。但因為使用了多個橡膠圈分別對氮化硅襯底與液體室盒體之間和對液體室盒體部件之間進行密封，這類樣品室厚度比樹脂密封型的有顯著增加;此外就橡膠圈密封液體室而言，一般技術難以做到既保證高質量、高精度，操作又實現快速密封。Franks等人發明的原位液體樣品室用金屬加工制作樣品室盒體，用3個橡膠圈將盒體以及載有液體樣品的商業的氮化硅窗口密封，固定螺絲事先已安裝在液體室基座上，盒體上半部分的蓋片設計有螺釘卡口將盒體先卡入旋轉到位再上緊螺釘，實現快速簡便的組裝，解決了液體揮發損失的問題，但旋轉到位過程中上下兩個薄膜窗口發生相對轉動，對氮化硅窗口產生應力，增加窗口損壞幾率，同時旋轉方式的設計使得原位液體樣品室較寬，浪費了部分空間。商業公司的做法是使用液體可流動的液體室，可以先組裝再通入液體，從而保證液體室里正常的液體量。這一方法在增強了原位液體透射電鏡裝置的功能之外也還存在一些問題:如果透射電鏡實驗中出現薄膜窗口破裂，因有管道向液體室輸送液體，可能會有較多液體泄漏進電鏡真空系統造成不良影響。透射電鏡是貴重設備，因此要避免這種泄漏，在人員培訓、規范使用、安全預案等方面都需要有較高要求。
[0007]本發明旨在提出使用單一密封圈的液體樣品室設計來有效減小樣品室的厚度尺寸，同時利用輔助安裝裝置對樣品室進行組裝，既避免窗口旋轉的損傷，又能實現快速密封，從而有效改善原位液體透射電鏡研究中存在的困難。
【發明內容】
[0008]本發明提出一種透射電子顯微鏡用單一橡膠圈密封的超薄原位液體樣品室及其輔助安裝裝置和安裝方法。其一，具體的單一橡膠圈密封液體樣品室的結構和組合方式是:將2片薄膜窗口襯底用粘合劑粘合在金屬制的原位液體樣品室的蓋片和基座座上；用一個橡膠圈放在粘有氮化硅窗口襯底的蓋片和基座中間，上下用螺絲擰緊，進行密封(如圖1所示)。由于膠水使用在氮化硅窗口背面，不會發生向液體層漫延污染樣品的問題，用1個橡膠圈代替3個橡膠圈則大大降低了原位液體樣品室的厚度(如圖2所示)。這里液體室蓋片和基座可以保持原金屬表面，也可以進行陽極氧化或著色處理。其二，對這種液體樣品室進行快速安裝的具體方法是:首先，在輔助裝置上設計加工凹槽對液體室基體和蓋片進行定位(如圖3所示)。因為透射電鏡內部樣品空間狹小，特別是寬度方向很窄，使用輔助裝置定位而不是在液體室部件上通過螺釘部分等的設計實現定位使得液體室本身結構變得簡單，更易于在更薄更窄的空間尺寸上加工實現；同時相對旋轉定位等方式而言，減少了組裝時液體室部件之間的相對運動，提高了組裝的成功率和可靠性。其次，輔助裝置上設計了壓塊組件，液體室蓋片放入輔助裝置定位凹槽后可以利用壓塊重力立即壓緊密封，避免由于組裝過程較慢而在組裝期間發生的液體蒸發泄漏(如圖4所示)。對蓋片壓緊固定后再用螺絲對液體室基體和蓋片進行上緊螺絲固定，相比沒有輔助裝置，對壓緊固定在基座上的蓋片裝載螺絲，可以有效減少避免蓋片位置移動，提高組裝質量和可靠性(如圖5所示)。
[0009]除此之外，我們面向單一橡膠圈密封液體室設計制作的輔助安裝裝置也不排除用于對多橡膠圈的液體室進行安裝，來減小安裝中的應力和蒸發等問題。
[0010]本方法的封裝過程具體包括如下步驟。
[0011 ] 1、將加工完成的超薄原位液體樣品室清洗干凈，除去微小灰層雜質。
[0012]2、在單一橡膠圈密封的