一种透射电子显微镜用超薄原位液体样品室及其辅助安装装置和安装方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种透射电子显微镜用超薄原位液体样品室及其辅助安装装置和安装方法。具体涉及一种单一橡胶圈(o-ring)代替多橡胶圈的超薄原位液体样品室，用辅助安装设备协助组装代替旋转安装组装方式。相比于现行的原位液体样品室，新的安装方式更便于使原位液体样品室厚度减薄，宽度变窄，有利于在透射电镜有限的真空腔内，实现原位液体样品室上更多功能的搭载，推动液体原位电镜朝多功能化、高集成化发展。
【背景技术】
[0002]透射电子显微镜(透射电镜)由于其超高图像分辨率，已经成为纳米材料、物理、化学、半导体工艺、新能源材料、生物医药等众多领域进行前沿研究重要的工具。透射电镜除了简单成像以外，还可以通过样品倾转、衍射、能谱分析，以及增加原位通电、原位升降温功能、引入光信号等对试样进行多方面综合分析。这些领域中许多材料制备、应用、和物理化学的基本变化过程均与液体环境有关。由于需要在高真空条件下工作，传统的电子显微镜无法观察液体环境中的纳米材料和液体环境中的动态过程，大大局限了透射电镜的可应用范围，限制了人们对液体中真实纳米过程的了解。
[0003]透射电镜用的原位液体样品室(In-situ wet-cell for TEM)是近几年发展起来的一种实现在透射电子显微镜的真空室中观察液体样品的工具。电子显微镜发展之初，人们就想过用密封材料将液体样品封装放入电镜下观察。但因为当时技术水平的限制，并未发展出能够广泛应用的装置。近年来国际上采用两片由先进半导体芯片技术微加工制造的纳米厚度的薄膜窗口加以密封，将液体约束在真空环境里，既不会使液体挥发掉，同时确保电子束可以穿透，成功用于在透射电镜中对液体样品的观察，在国际上受到高度重视。薄膜窗口通常用高强度的氮化硅等材料制备，这种氮化硅窗口厚度可以做到50nm以下，因此窗口可以透过电子束，并且对电子束散射很小[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]原位液体样品室的设计和使用需要考虑多种因素。一方面透射电镜这种高级精密仪器的样品观察空间通常很小，这就要求液体样品室做的尽可能小，这不仅是为了使液体样品室能够放到透射电镜中进行常规使用，还是为了便于给液体样品室增加各种分析使用功會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.]。另一方面在使用中对液体样品室的封装过程具有很高的要求:封装过程如果处理不好，将会影响对液体样品的密封性;如果操作过程设计不理想及动作不够精确，将会导致纳米厚度的薄膜窗口材料的破裂，造成组装失败；另外因两层薄膜窗口之间的液体层必须很薄从而保证电子束穿透，因此液体室中密封的液体量必须严格控制，如果组装不能快速实现，会导致液体在组装完成之前挥发掉，这也是液体室组装失败的重要原因。同时以上这两方面因素又是相互影响和相互制约的。
[0005]以上提到M.J.Williamson等发展的液体样品室主要是通过用真空树脂对氮化硅窗口进行对粘组装的，虽然取得了巨大成功，但也有明显不足之处:1、样品室适合一次性使用，难以有效回收利用；2，在用树脂密封的时候，树脂的用量不易掌握，用的太多树脂易进入液体层造成样品污染，用的太少，密封性降低。
[0006]相比较而言采用多橡胶圈密封的液体样品室设计[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.]操作略显容易，更易于推广，因此国际上目前已经有两家商业公司在生产销售这类产品。但因为使用了多个橡胶圈分别对氮化硅衬底与液体室盒体之间和对液体室盒体部件之间进行密封，这类样品室厚度比树脂密封型的有显著增加;此外就橡胶圈密封液体室而言，一般技术难以做到既保证高质量、高精度，操作又实现快速密封。Franks等人发明的原位液体样品室用金属加工制作样品室盒体，用3个橡胶圈将盒体以及载有液体样品的商业的氮化硅窗口密封，固定螺丝事先已安装在液体室基座上，盒体上半部分的盖片设计有螺钉卡口将盒体先卡入旋转到位再上紧螺钉，实现快速简便的组装，解决了液体挥发损失的问题，但旋转到位过程中上下两个薄膜窗口发生相对转动，对氮化硅窗口产生应力，增加窗口损坏几率，同时旋转方式的设计使得原位液体样品室较宽，浪费了部分空间。商业公司的做法是使用液体可流动的液体室，可以先组装再通入液体，从而保证液体室里正常的液体量。这一方法在增强了原位液体透射电镜装置的功能之外也还存在一些问题:如果透射电镜实验中出现薄膜窗口破裂，因有管道向液体室输送液体，可能会有较多液体泄漏进电镜真空系统造成不良影响。透射电镜是贵重设备，因此要避免这种泄漏，在人员培训、规范使用、安全预案等方面都需要有较高要求。
[0007]本发明旨在提出使用单一密封圈的液体样品室设计来有效减小样品室的厚度尺寸，同时利用辅助安装装置对样品室进行组装，既避免窗口旋转的损伤，又能实现快速密封，从而有效改善原位液体透射电镜研究中存在的困难。
【发明内容】
[0008]本发明提出一种透射电子显微镜用单一橡胶圈密封的超薄原位液体样品室及其辅助安装装置和安装方法。其一，具体的单一橡胶圈密封液体样品室的结构和组合方式是:将2片薄膜窗口衬底用粘合剂粘合在金属制的原位液体样品室的盖片和基座座上；用一个橡胶圈放在粘有氮化硅窗口衬底的盖片和基座中间，上下用螺丝拧紧，进行密封(如图1所示)。由于胶水使用在氮化硅窗口背面，不会发生向液体层漫延污染样品的问题，用1个橡胶圈代替3个橡胶圈则大大降低了原位液体样品室的厚度(如图2所示)。这里液体室盖片和基座可以保持原金属表面，也可以进行阳极氧化或着色处理。其二，对这种液体样品室进行快速安装的具体方法是:首先，在辅助装置上设计加工凹槽对液体室基体和盖片进行定位(如图3所示)。因为透射电镜内部样品空间狭小，特别是宽度方向很窄，使用辅助装置定位而不是在液体室部件上通过螺钉部分等的设计实现定位使得液体室本身结构变得简单，更易于在更薄更窄的空间尺寸上加工实现；同时相对旋转定位等方式而言，减少了组装时液体室部件之间的相对运动，提高了组装的成功率和可靠性。其次，辅助装置上设计了压块组件，液体室盖片放入辅助装置定位凹槽后可以利用压块重力立即压紧密封，避免由于组装过程较慢而在组装期间发生的液体蒸发泄漏(如图4所示)。对盖片压紧固定后再用螺丝对液体室基体和盖片进行上紧螺丝固定，相比没有辅助装置，对压紧固定在基座上的盖片装载螺丝，可以有效减少避免盖片位置移动，提高组装质量和可靠性(如图5所示)。
[0009]除此之外，我们面向单一橡胶圈密封液体室设计制作的辅助安装装置也不排除用于对多橡胶圈的液体室进行安装，来减小安装中的应力和蒸发等问题。
[0010]本方法的封装过程具体包括如下步骤。
[0011 ] 1、将加工完成的超薄原位液体样品室清洗干净，除去微小灰层杂质。
[0012]2、在单一橡胶圈密封的