一种基于内标物微阵列的观测微区定位法

本发明涉及一种基于内标物微阵列的观测微区定位法。

背景技术：

透射电子显微镜及其周边技术的迅猛发展，特别是球差电镜和原位电镜技术，为在分子/原子层面观察纳米材料的精细结构及其动态变化过程提供了可能。研究者在透射电子显微镜原位加热样品杆上跟踪观察到系列纳米催化材料在高温加热过程中的结构演变历程，为催化剂烧结过程中金属粒子的热扩散机制提供了更直接的图像信息，对指导合成新型热稳定催化材料具有重大意义。事实上，追踪材料在制备、反应或其他外场因素作用下的高分辨率、动态变化过程是解析相关材料形成机理、反应机制等关键科学问题的直接证据和重要途径。但受限于透射电子显微镜腔室及样品杆的环境及参数要求，无法在测试过程中模拟所有的物理、化学环境，特别是多种、多相反应物共存的条件。因此，很多重要的材料失活机制和反应机制尚不明确。为更真实地研究纳米材料面向实际化学反应使役条件下的动力学过程，研究者将金纳米颗粒负载在透射电镜载网表面，直接放入co氧化反应器中，统计真实反应前、后纳米颗粒尺寸的直接信息，从而跟踪到热扩散过程。但由于载网转移后，原始观测位置的精准复位很困难，特别是对整体形状高度对称的纳米材料(如纤维材料)，无法依靠样品自身形状特征回溯原始观测微区，追踪特定微区的重要结构、组份变化信息，从而阻碍了透射电子显微镜技术在原子/分子层面深入解析相关微观机理研究的应用。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术中在利用透射电子显微镜技术研究原子/分子层面在反应前、后纳米颗粒尺寸直接信息时，存在的载网转移后，原始观测位置的精准复位很困难，以及对整体形状高度对称的纳米材料无法依靠样品自身形状特征回溯原始观测微区的问题，提供一种基于内标物微阵列的观测微区定位法，该方法一方面能够有效防止在外场作用下担载在载网表面的样品发生位移，另一方面能够实现载网转移后，原始观测位置的精准复位困难，以及对整体形状高度对称的纳米材料无法依靠样品自身形状特征回溯原始观测微区的问题。

技术方案：本发明所述的基于内标物微阵列的观测微区定位法，包括如下步骤：

(1)将待观测的粉末状样品分散在溶剂中制成均匀的溶液，将溶液滴涂在透射电子显微镜专用可加热芯片上；

(2)将载有待观测样品的芯片置于金属台上，将芯片边缘固定在金属台上，然后将载有芯片的金属台固定于fib-sem双束系统中，在电子束窗口下，确定芯片上待测样品的位置；

(3)在离子束窗口下，向样品与芯片接触处选择至少两个点定向沉积金属钨i，将样品在载网上的位置固定；防止样品在后续的观测或反应中在载网上发生移位；

(4)在芯片可观测窗口下沿着样品外周定向沉积金属钨ii，在样品外周形成内标物微阵列；

(5)将标记后的芯片装载至透射电子显微镜原位加热样品杆，选取多个观测微区，通过图像采集和能谱技术记录对应观测微区样品的结构和组份信息；

(6)取出芯片，放入反应器内，开启特定反应；

(7)待反应结束后，取出芯片，重新装载至透射电子显微镜原位加热样品杆，通过内标物微阵列定位导航至步骤(5)选取的观测微区，通过图像采集和能谱技术观察对应观测微区的样品在反应后的结构及组份变化。

其中，步骤(1)中，将待观测的粉末状样品分散在乙醇中制成均匀的溶液，样品的浓度为不大于0.1mg/ml。

其中，步骤(1)中，芯片为si3n4可加热tem载网芯片。

其中，步骤(2)中，将芯片边缘通过导电胶固定在金属台上。

其中，步骤(3)中，当纳米材料呈纤维状，则选择纤维上下两个端点沉积金属钨i，沉积的金属钨i的直径大于纤维状纳米材料的直径；当纳米材料呈片状，则选择至少两个顶点沉积金属钨i。

其中，步骤(4)中，沉积的金属钨ii的颗粒粒径不大于待观测微区目标纳米颗粒直径，相邻金属钨ii颗粒之间的间距不超过d+d，其中d为目标纳米颗粒直径，d为目标纳米颗粒相邻间距。

其中，步骤(5)中，观测微区的个数为2～5个。

有益效果：本发明定位法一方面通过聚焦离子束(fib)沉积金属钨固定样品，另一方面通过聚焦离子束(fib)在载网可观测窗口样品外围构建内标物阵列，通过限定内标物阵列内单个内标物与样品晶粒尺寸的关系以及相邻内标物之间的间距来确定选定的待测微区与阵列内对应单体的位置关系，从而在载网经过必要的转移之后还能精准定位到对应的待测微区，即载网在必要的转移之后仍然可便捷准确定位至初始观测微区，从而实现追踪纳米材料在特定外场作用后的结构、组份变化情况，指导解析相关反应机制，合成更高效、稳定的纳米材料。

附图说明

图1为protochips的aduro电镜杆配套si3n4加热芯片的结构示意图；

图2为透射电子显微镜载网内标物微阵列精准定位法操作流程示意图；

图3为实施例1通过fib沉积法在纤维样品附近构筑内标物微阵列流程示意图；

图4为通过fib沉积-刻蚀法在纤维样品附近构筑内标物微阵列流程示意图；

图5为通过fib沉积法在纳米片样品附近构筑内标物微阵列流程示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

本发明基于内标物微阵列的观测微区定位法，具体为：

(1)将少量al2o3/tio2复合纳米纤维(纳米纤维的直径约为300nm)分散在乙醇中，制成均匀的浓度为0.1mg/ml的溶液，将溶液滴涂在耐高温的protochips的aduro电镜杆配套的si3n4加热芯片上；

(2)待样品干燥后将芯片置于清洁的金属台上，用导电胶将芯片边缘固定，然后将载有芯片的金属台固定于fib-sem双束系统中，在电子束窗口下，利用二次电子确定芯片上待测样品的位置；

(3)在离子束窗口下，向al2o3/tio2复合纳米纤维与芯片载网接触的两端定向沉积金属钨i，在电压为30kv及电流为40pa的条件下加工60s获得直径为400nm的金属钨i，将样品固定在芯片上，防止样品在后续的观测或反应中移位；

(4)为观察al2o3/tio2复合纳米纤维中氧化物晶粒界面(晶粒尺寸为30nm)的迁移运动，在离子束窗口下，向芯片的观察窗口中al2o3/tio2复合纳米纤维周围定向沉积金属钨ii纳米点阵，在电压为10kv及电流为7pa的条件下，加工1～10s，获得直径为5～30nm的金属钨ii颗粒，相邻金属钨ii颗粒-内标物间距不超过50nm(如图3所示)；

(5)将标记后的芯片装载至protochips的aduro电镜杆，选择2～5个典型观测微区，通过图像采集和能谱等谱学技术记录观测微区内对应晶粒的结构和组份信息；

(6)取出芯片，放入炭黑氧化反应器内，开启反应；

(7)待反应结束后，取出芯片，重新装载至protochips的aduro电镜杆，通过内标物微阵列定位到步骤(5)选取的待测微区，观察待测微区内对应晶粒在反应后的结构及组份变化。

实施例2

本发明基于内标物微阵列的观测微区定位法，具体为：

(1)将少量负载有pt纳米颗粒(pt纳米颗粒的直径为3nm)的tio2纳米纤维材料(纤维材料的直径为100nm)分散在乙醇中，制成均匀的浓度为0.1mg/ml的溶液，将溶液滴涂在耐高温的protochips的aduro电镜杆配套的si3n4加热芯片上；

(2)待样品干燥后将芯片置于清洁的金属台上，用导电胶将芯片边缘固定，然后将载有芯片的金属台固定于fib-sem双束系统中，在电子束窗口下，利用二次电子确定芯片上待测样品的位置；

(3)在离子束窗口下，向tio2纳米纤维与芯片载网接触的两端定向沉积金属钨i，在电压为30kv及电流为40pa的条件下，加工30s，获得直径为150nm的金属钨i，将样品固定在芯片上，防止样品在后续的观测或反应中移位；

(4)为观察pt纳米颗粒与tio2的表界面微区，在高倍率离子束窗口下，向芯片载网的观察窗口中tio2纳米纤维周围定向沉积金属钨ii纳米点阵，在电压为10kv及电流为7pa的条件下加工1～5s，获得直径为1～3nm的金属钨ii颗粒，同时可结合刻蚀操作(将实心金属钨颗粒蚀刻成空心金属钨颗粒)，一方面能够降低金属钨用量，另一方面能够构建更具有辨识度的纳米点阵(如图4所示)，相邻内标物间距不超过5nm；

(5)将标记后的芯片装载至protochips的aduro电镜杆，选择2～5个典型观测微区，通过图像采集和能谱等谱学技术记录观测微区内对应的结构和组份信息；

(6)取出芯片，放入co氧化反应器内，开启反应；

(7)待反应结束后，取出芯片，重新装载至protochips的aduro电镜杆，通过内标物微阵列定位到步骤(5)选取的待测微区，观察待测微区内样品在反应后的结构及组份变化。

实施例3

本发明基于内标物微阵列的观测微区定位法，具体为：

(1)将少量负载有pt纳米颗粒(pt纳米颗粒的直径为3nm)的al2o3纳米片材料(纳米片材料的面积为100*100nm²)分散在乙醇中，制成均匀的浓度为0.1mg/ml的溶液，将溶液滴涂在耐高温的protochips的aduro电镜杆配套的si3n4加热芯片上；

(2)待样品干燥后将芯片置于清洁的金属台上，用导电胶将芯片边缘固定，然后将载有芯片的金属台固定于fib-sem双束系统中，在电子束窗口下，利用二次电子确定芯片上待测样品的位置；

(3)在离子束窗口下，向al2o3纳米片与芯片载网接触的两端定向沉积金属钨i，在电压为10kv及电流为7pa的条件下加工10s获得直径为20nm的金属钨i，将样品固定在芯片上，防止样品在后续的观测或反应中移位；

(4)为观察pt纳米颗粒与al2o3的表界面微区，在高倍率离子束窗口下，向芯片载网的观察窗口中al2o3纳米片周围定向沉积金属钨ii纳米点阵，在电压为10kv及电流为7pa的条件下加工1～5s，获得直径为1～3nm的金属钨ii颗粒，相邻内标物间距不超过5nm(如图5所示)；

(5)将标记后的芯片装载至protochips的aduro电镜杆，选择2～5个典型观测微区，通过图像采集和能谱等谱学技术记录观测微区内样品对应的结构和组份信息；

(6)取出芯片，放入co氧化反应器内，开启反应；

(7)待反应结束后，取出芯片，重新装载至protochips的aduro电镜杆，通过内标物微阵列定位到步骤(5)选取的待测微区，观察待测微区内样品在反应后的结构及组份变化。

本发明方法能够实现精准定位透射电子显微镜载网表面的纳米材料，解决了透射电子显微镜使用过程中无法精准跟踪待测微区的关键难题，今儿解决了原位透射电子显微镜使用过程中无法模拟各种真实反应过程的困难，使得追踪反应过程中材料的精细结构变化成为可能，为透射电子显微镜在高时空分辨率解析材料表界面结构演化机制的应用提供了新思路，能够还原真实工况下，复杂化学、物理环境中材料的精细结构演变过程；本发明定位法可拓展应用至类似显微观测技术，帮助实现纳米尺寸微区的定位、复位观测。