一种在环境透射电子显微镜中安装的气体电子衍射装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在透射电子显微镜中安装的气体电子衍射装置，用于在电子显微镜中进行原位探测。
【背景技术】
[0002]气氛透射电镜(也称为环境透射电镜一ETEM)技术。多种气氛可以通过外接微型管路进入电镜样品室，并且可以微束形式在样品室的高真空环境进行喷射，进入样品室的气体将通过安装在另一侧的差分真空系统被抽出，从而保证电镜真空环境不受影响。
[0003]原位气体电子衍射(GED)技术是指在对样品(例如气固反应界面)进行透射电镜观测的同时也能够测试气体的衍射花样从而辨别气体成分及其分子结构特性。这种技术基于高速运动的电子受到气体分子的散射，散射波经相互干涉形成衍射花样。该衍射花样包含了气态自由分子结构的信息，所以该方法不仅能够测定稳定的气体分子，还能够辨别一些亚稳态、中间态的气体分子结构。
[0004]目前在电子显微镜中还没有进行气氛电子衍射的技术及附件设备，气体电子衍射测试大都在专门的气体衍射仪中完成。这是因为进行气体电子衍射需要空间密度足够大的气体束，而满足这个要求往往意味着破坏电子显微镜的真空测试环境(严重时导致停机)，并且引起近似于非晶污染的背景衬度导致无法清楚地观测样品。在本发明中，我们给出了尺寸足够小的气体微束喷射技术，并能够原位精确移动这个气体束使其与电子束(直径为纳米尺寸)交汇，从而使在透射电镜中可以进行气体电子衍射测试。
[0005](背景文献:Hofmann et.al.Nano Letters 7 (2007) 602 ；T.Kamino, T.Yaguchi, and H.Saka, J.Electron Microsc.43 (1994) 104 ；L.0.Brockway, Reviewsof modern physics, 8(1936) 231 ;1.hargittai and M.Hargittai,Stereochemicalapplicat1ns of gas-phase electron diffract1n—Angewandte ChemieInternat1nal Edit1n, 28(2003) 1534)
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种在透射电子显微镜中安装的气体电子衍射装置，用于在电子显微镜中原位探测气氛的成分及其分子结构性质。
[0007]本发明所说的在透射电子显微镜中安装的气体电子衍射装置，包括以下部分:(I)放置于透射电境外的气体罐(压力可调节)及控制气体注入的快速响应针阀(电脑程序控制);(2)集成于电镜样品杆的气氛微束喷射管路；(3)集成于电镜样品杆端头的纳米压痕仪系统(可以10皮米量级精度三维移动压头)，只不过本装置中压痕仪不再配置金刚石压头，而代之以气氛微束喷头，从而可以完成喷射微气体束的移动。本装置通过环境透射电镜的样品台通道安装，即气体通过样品台通道进入电镜观测室(极靴)从而使透射电镜在观测的同时可以对微气体束进行衍射测试。
[0008]本装置的工作原理为:利用气氛微束喷射，并使用纳米压痕仪精确移动微气体束，使得电子显微镜在观测的同时开展气体的电子衍射测试。
[0009]所述气氛微束喷头通过喷射管路与气体罐相连。本发明中所述的环境透射电镜，是指配置了真空差分系统的透射电镜。可以采用市场现有的，如美国FEI公司和日本日立公司的ETEM如。本气体衍射装置由于精确使用气体微束，气氛喷射量很少，电镜内部总体真空环境和观测清晰度不受影响。
[0010]本装置中，喷射气氛微束的喷头是采用碳化硅、合金等材料，通过激光刻蚀和聚焦离子束等纳米技术加工获得。为了便于纳米加工，喷头使用了“直孔喷嘴组”的设计:如图1所示，喷头孔径尺寸在10-100微米量级，加工精度在100纳米量级。喷射气氛微束的压强主要依靠“喷头尺寸、形状”，“电镜内外气氛压力差”以及“控制气氛微束喷射针阀动作节律”来调节。
[0011]具体地说，喷射气体的电镜内外压差通过控制外接气氛罐的压强来实现(电镜内真空为稳定的，?105帕斯卡)，例如变温、活塞压缩等方法。而喷射气氛微束时，控制气氛罐与电镜真空室联通的针阀在电脑程序控制下做快速节律性开关动作，从而使气氛微束喷射达到动态下的平衡。
【附图说明】
[0012]图1为“直孔喷嘴组”式气氛微束喷头，喷头尺寸10微米量级，加工精度100纳米量级，右插图为每一节直孔喷嘴结构。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0014]在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
[0015]在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
[0016]实施例1
[0017]利用HITACHI公司生产的环境透射电镜(型号H-9500ETEM)平台安装气体衍射装置，改装日立“Gas inject1n-heating holder”气氛样品台:1)气路管道为钛合金材质，内径400微米，外径900微米，微米精度马达控制管路移动；2)安装于气路管道端头的微气体束喷头如图1，含三节，按照尺寸从大到小分别为:第一节后内径400微米，前内径200微米，外径900微米，长度3毫米；第二节后内径100微米，前内径50微米，外径200微米，长度I毫米；第三节后内径30微米，前内径20微米，外径50微米，长度300微米。3)喷头制作工艺为激光刻蚀以及聚焦离子束，喷嘴材质为碳化硅；4)针阀响应速度为10 4秒，外部气氛罐通过机械压缩控压，最大喷射压力70MPa ；5)可用于氢气和氧气的气氛电子衍射表征。
[0018]实施例2
[0019]利用FEI公司生产的环境透射电镜(型号Titan? ETEM)平台安装气体衍射装置，Hysitron纳米压痕仪(透射电镜P1-95型号)安装气氛微束喷射系统:1)气路管道为钛合金材质，内径400微米，外径900微米，微米精度马达控制管路移动；2)安装于气路管道端头的微气体束喷头含2节，按照尺寸从大到小分别为:第一节后内径400微米，前内径200微米，外径900微米，长度3毫米；第二节后内径100微米，前内径50微米，外径200微米，长度I毫米；3)喷头制作工艺为激光刻蚀以及聚焦离子束，喷嘴材质为钛、镍合金；4)针阀响应速度为10 3秒，外部气氛罐通过电加热变温控压，最大喷射压力60MPa ；5)可用于氨气和氧气的气氛电子衍射表征。
【主权项】
1.一种在透射电子显微镜中安装的微气体束电子衍射装置，其特征是通过与电镜样品台兼容，用于在电子显微镜中原位探测气氛的电子衍射花样；它包括:(1)放置于透射电境外的气体罐及控制气体注入的快速响应针阀；(2)集成于电镜样品杆的气氛微束喷射管路；(3)集成于电镜样品杆端头的纳米压痕仪系统压痕仪配置气体喷头，从而完成喷射微气体束的移动；该装置通过环境透射电镜的样品台通道安装。2.根据权利要求1所述的在透射电子显微镜中安装的微气体束电子衍射装置，其特征在于:所述纳米压痕仪系统能10皮米量级精度三维移动压头。3.根据权利要求1所述的在透射电子显微镜中安装的微气体束电子衍射装置，其特征在于:所述的喷头是通过纳米加工技术方法采用碳化硅或钛合金制成。
【专利摘要】本发明涉及一种在透射电子显微镜中安装的气体电子衍射装置，用于在电子显微镜中原位探测气氛的成分及其分子结构性质。该装置包括以下部分：(1)放置于透射电境外的气体罐(压力可调节)及控制气体注入的快速响应针阀(电脑程序控制)；(2)集成于电镜样品杆的气氛微束喷射管路；(3)集成于电镜样品杆端头的纳米压痕仪系统(可以10皮米量级精度三维移动压头)，只不过本装置中压痕仪不再配置金刚石压头，而代之以气氛微束喷头，从而可以完成喷射微气体束的移动。采用本发明的装置能够原位精确移动这个气体束使其与电子束(直径为纳米尺寸)交汇，从而使在透射电镜中可以进行气体电子衍射测试。
【IPC分类】G01N23/20
【公开号】CN105223215
【申请号】CN201510786625
【发明人】邓昱, 张诚平, 孙敬方, 董林, 陈强, 方江邻, 高飞, 汤常金, 蔡宁生
【申请人】南京大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年11月16日