包括多孔金属箔的电子显微镜样品支架的制作方法
【专利说明】包括多孔金属箔的电子显微镜样品支架 发明领域
[0001] 本发明涉及一种电子显微镜样品支架；一种制造此类电子显微镜样品支架的方 法;一种使用此类电子显微镜样品支架成像的方法和一种可操作用于进行此类成像方法的 设备。
[0002] 罝量
[0003] 可以将电子显微镜技术用以样品成像。根据此类技术，将电子束用以"照射"样品。 样品在电子束中的存在导致电子束的变化。可以检查由样品导致的电子束的变化以产生样 品的放大的图像。
[0004] 为了通过电子束照射，必须将样品恰当支撑在所述束中。通常形成电子束的电子 具有高的能量，并且要理解的是，在电子束内将目标物(例如用于检查的样品）与保持样品 在适当位置的支架一起轰击可能导致支架和/或样品的物理、化学和/或电变化。这种变化 可能影响通过使用电子显微镜技术得到的结果，包括图像分辨率。
[0005] 期望提供一种用于电子显微镜技术中的样品支架，所述支架可以解决一些已知样 品支架的特征。
[0006] 概述
[0007] 因此，第一方面提供一种电子显微镜样品支架，所述电子显微镜样品支架包括:支 架部件;和包括多孔区域的金属箱;所述支架部件被配置成提供结构稳定性给所述金属箱， 并且所述金属箱的所述多孔区域被配置成接收电子显微镜样品。
[0008] 第一方面认为，包括例如纳米级粒子的样品的电子显微图像中的信息内容可以由 以下各项限定:单独的粒子的电子束诱导的运动；由电子束和/或样品支架(例如碳基底)的 化学变化诱导的样品上的电荷积累。在图1至3中示意性说明这种现象。
[0009]以上描述的现象可能是与电子低温显微镜特别相关的，电子低温显微镜也被称为 低温电子显微镜，其中使用透射电子显微镜在低温下研究样品。电子低温显微镜技术可能 特别有用于冷冻的、与水结合的生物学样品的研究。作为例如先前提到的那些现象之类的 现象的结果，信息内容的损失可能限制由电子低温显微镜收集的涉及此类冷冻的水合的生 物学样品(特别涉及此类样品的图像的3D重建)的图像的分辨率。作为可获得的受限信息的 结果，已知的技术对单独的粒子的角取向的精确度施加限制，使得不能可靠地使更小的粒 子，例如那些小于~500kDa的粒子。
[0010]第一方面认为，在电子显微镜中金属栅格支架的使用是已知的并且多孔碳膜的使 用是已知的同时，支撑样品用于分析的精细多孔金属箱的使用可以具有优点，尽管在第一 个实例中看来是可能有损于所得图像的结构。具体地，可以认为将样品放置在提供于金属 箱中的孔(hole)的区域中将导致更差的图像，因为金属箱对于电子束是不透明的并且可能 导致对入射电子束的不当干涉。结果，典型地已经使用多孔碳基底，那些基底被例如金属栅 格支撑，金属栅格可操作以增加力学稳定性给样品支架并如所需的将电子从样品"传导"离 开。
[0011]根据第一方面的样品支架包括金属箱，所述金属箱具有这样的性质：选择所述性 质以允许其提供例如足够的二次电子给位于金属箱中小孔(pore)区域的样品，条件是金属 箱在入射电子束内被正确地对齐。这种二次电子可以随后将暴露给入射电子束期间积累在 样品中的正电荷中和。适当地选择的金属的电子产率可能起到将由箱的小孔区域中的样本 (sample)或样品（specimen)经历的充电效应最小化的作用。此外，可以选择金属使得其在 电子束的存在下是基本上惰性和不反应的。适当选择的金属的不反应的性质可以使箱的力 学变形最小化。
[0012]尽管措辞金属已被用于描述第一方面的多孔箱，但是要理解的是，也可以使用具 有以下进一步列出的实质上金属性质的材料，例如适当选择的半导体材料。通常可以认为 金属是具有大于10e21/cm3的自由载流子浓度的任何材料。
[0013] 在一个实施方案中，金属箱被布置成与支架部件欧姆接触。换句话说，金属箱和支 架部件之间的接触起着非整流结(non-rectifying junction)的作用，从而允许箱之间的 任何自由电子到支架的移动的不拘束，并且改善可以导致作为支架暴露给电子束的结果的 充电效应。
[0014] 在一个实施方案中，金属箱包括金属，所述金属具有大比例的不紧密结合到材料 中任何特定原子的可移动的电子。这种材料比典型的无定形碳更有传导性。也就是说，在一 些实施方案中，金属可以包括高传导性金属。因此，用于箱的高传导性金属的供应允许电子 在箱内相对自由的移动，其可以改善可以导致作为支架暴露给电子束的结果的电荷效应。
[0015] 在一个实施方案中，金属箱包括这样的金属:对于在所述箱上的电子入射而言，所 述金属具有高总产率的由箱发射的电子。从而，暴露于高能电子束可以允许可以落在样品 或样本区域上的电子的产生，因此改善可以导致作为支架暴露给电子束的结果的电荷效 应。
[0016] 在一个实施方案中，金属箱包括具有高力学稳定性的金属。金属箱可以包括在所 选择的厚度具有一定力学强度的金属，所述一定力学强度足以将在暴露到入射电子束期间 样品的运动减少到小于所得图像需要的空间分辨率的倒数。从而，箱可以配置为当延伸穿 过支架部件时是自支撑的。如果被选择以具有合适的杨氏模量，则金属箱可以是支架部件 侧面之间横向跨度的强度相对较大的，尽管其本来是相对薄的。此外，通过选择具有合适力 学稳定性的箱材料，可以解决任何由化学变化或电荷失衡导致的多孔金属箱的力学变形的 影响。也就是说，材料越硬，电荷失衡越不可能导致箱的物理翘曲。改善物理翘曲可以有助 于改善样品显微图像中由移动导致的模糊。
[0017] 在一个实施方案中，金属箱包括非反应性金属。从而，暴露到高能电子束可以造成 金属箱中更少的化学变化，并且因而可以改善任何由化学变化导致的多孔金属箱的力学变 形的影响。
[0018] 在一个实施方案中，金属箱包括与生物学电子显微镜样品相容的金属。从而，材料 的选择可以是使得与样品的反应最小化。具体地，在一些实施方案中，可以选择金属箱以显 示很少的与生物学物质的反应。
[0019] 在一个实施方案中，金属箱包括以下各项中的至少一种:金、铂、钯、铪或铑的金属 箱。从而，可以选择此类物质和相似的物质，因为它们具有合适的:粒径尺寸，是非氧化物形 式，具有所需的杨氏模量、二次电子产率或其他类似的期望的和/或可调的性质。
[0020] 在一些实施方案中，金属箱中单独小孔的尺寸被确定为使得它们与要被电子显微 镜的入射电子束询问（interrogated)的区域是相当。从而，电子显微镜束可以是可操作的 以观察单个小孔的全部。在一些实施方案中，确定每个小孔或小孔的尺寸以允许在单个的 小孔中同时成像多个感兴趣的电子显微镜样品。在一些实施方案中，确定每个小孔的尺寸 小于入射电子显微镜电子束的尺寸。从而，入射束可以被布置成覆盖放置在孔中的样品，并 延伸到孔或小孔周围的金属箱区域上，或与孔或小孔周围的金属箱区域重叠。束在金属箱 上的重叠可以有助于确保由二次电子产生的作为在箱上的入射电子束的结果的样品的均 匀电荷平衡。在一个实施方案中，金属箱的多孔区域包括包含多个孔的金属层。多孔区域可 以延伸穿过基本上所有被支架部件保持在适当位置的金属箱。在一些实施方案中，仅箱的 区域可以包括孔。这些孔可以规则地或不规则地布置在多孔区域中。在一些实施方案中，这 些孔可以是基本上尺寸均匀的。在一些实施方案中，孔的尺寸可以在箱的横向上变化。也就 是说，可以在金属箱上提供多个多孔区域，每个多孔区域具有不同的小孔尺寸。备选地，可 以在金属膜的多孔区域的横向上提供不同尺寸的孔。从而，可以在单个栅格上测试大量条 件。
[0021] 在一个实施方案中，孔的尺寸被定制为接收至少一个电子显微镜样品。从而，当照 射由支架保持在适当位置的样品时，通过询问的电子束可以看到至少一个样品。也就是说， 在一个实施方案中，金属箱的厚度被选择为至少是电子显微镜样品的最小尺寸。
[0022] 在一个实施方案中，支架部件包括基本上环形的元件。其环面的横截面形状可以 例如是基本上圆形、椭圆形、矩形或三角形。从而，金属箱可以延伸穿过所述环形元件。
[0023] 在一个实施方案中，支架部件包括多个隔开的支架元件。在一个实施方案中，多个 隔开的支架元件被布置成形成网。从而支架部件可以包括支撑栅格状结构的环状元件。随 后该栅格状结构可以在邻近的网元件之间支撑金属箱。这种栅格可以提供额外的结构稳定 性给金属箱。在一个实施方案中，金属箱的多孔区域被布置成延伸穿过网的区域。
[0024] 在一个实施方案中，支架部件和支架元件包括金属。在一个实施方案中，金属包括 以下各项中的至少一项：金、铂、钯或铪。从而，支架可以是金属或具有金属性质，可以选择 金属性质以最小化支架结构暴露到高能电子束时可能发生的充电、化学和/或其他类似的 运动-诱导的过程。
[0025] 在一个实施方案中，支架部件、支架元件和金属箱全部由相同的金属形成。从而， 形成样品支架的主要成分由具有基本上相同的热膨胀系数(TEC)的材料形成。作为结果，可 以减轻在金属箱中引起的应力、应变、拉伸或撕裂，当通过温度变化引起这些变化时，例如 其经历当将样品支架降温至例如液氮温度时。如果构