在ETEM中研究样品的方法

摘要

本发明涉及在环境透射电子显微镜（ETEM）中的活性气氛中研究样品的方法。这样的研究被用于研究样品与气体的反应（化学的或物理的）。特别所关心的是气体和催化剂的化学反应，以及例如源自在固体上生长的气相的晶须的生长的物理变化（相变）。现有技术研究涉及将所述样品引入到ETEM的样品室内的侧面进入样品支持器上、将所述样品加热到所需的温度、等待所述样品安定到无漂移位置并且随后将所述样品暴露于经加热的活性气体的例如10 mbar的压力。因为所述样品支持器的温度分布随气体的温度和压力而变，当将所述样品支持器暴露于所述气体时，所述样品支持器之上的温度分布将轻微地改变，作为其结果，所述样品将漂移。为了避免所述漂移，或者至少最小化所述漂移，本发明涉及在将所述惰性气体交换为所述活性气体之前在所期望的温度下暴露到惰性气体。本发明也可应用于光学显微镜、X-射线显微镜或扫描探测显微镜。

权利要求

1.一种在易抽空的样品室(119)内研究样品的方法，所述研究的至少一部分在具有受控的压力和温度的活性气氛中被执行，作为其结果，所述样品显现化学反应或物理变化，所述样品室被配备有样品支持器(112)，用于将所述样品保持在样品位置(111)，所述样品支持器被配备有用于将所述样品的温度控制到不同于所述样品室的温度的温度的装置，所述样品支持器的一部分(214)具有所述样品室的温度，并且所述样品支持器的一部分(212)具有所述样品的温度，所述样品支持器之上的热梯度受气体压力、气体温度和气体流量的影响，作为其结果，所述样品位置随气体压力、气体温度和气体流量而变，所述研究包括下列步骤：－将所述样品引入到所述样品室中，

－使所述样品至期望的温度，

－将所述样品暴露于所述具有气体压力和温度的活性气氛中，以及

－当所述化学反应或物理变化开始时，获取所述样品的图像，所述图像显示相关联的视野、相关联的获取时间和相关联的分辨率，其特征在于，

－在将所述样品暴露于所述活性气氛之前，所述样品被暴露于惰性气氛，其不对所述样品显现所述化学或物理活性，所述惰性气氛具有气体压力、气体流量和气体温度，－所述惰性气氛的所述气体温度、气体流量和气体压力被控制到如下水平：在其处当被暴露于所述惰性气氛时以及当被暴露于所述活性气氛时所述样品支持器之上的热梯度彼此足够地接近，以致在所述图像的获取时间期间，所述样品位置(111)相对于所述视野的漂移小于所述图像的分辨率的十倍。

2.如权利要求1所述方法，在其中，使用带电粒子束、光束、X－射线束、或者使用扫描探测显微镜获取所述图像。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，在其中，所述样品的温度被保持在大于100℃的温度。

4.如权利要求3所述方法，在其中，所述样品的温度被保持在低于－20℃的温度。

5.如权利要求1所述方法，在其中，所述样品支持器(112)是用于环境透射电子显微镜或环境扫描透射电子显微镜的侧面进入样品支持器。

6.如权利要求5所述方法，在其中，所述惰性气氛的所述气体温度、气体流量和气体压力被控制到如下水平：在其处所述样品相对于所述视野的漂移小于1nm/s。

说明书

在ETEM中研究样品的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于在易抽空的样品室内研究样品的方法，所述研究的至少一部分在具有受控的压力和温度的活性气氛中被执行，作为其结果，所述样品显现化学反应或物理变化，所述样品室配备有样品支持器，用于将所述样品保持在样品位置，所述样品支持器配备有用于将所述样品的温度控制到不同于所述样品室的温度的温度的装置，所述样品支持器的一部分具有所述样品室的温度，并且所述样品支持器的一部分具有所述样品的温度，所述样品支持器之上的热梯度受气体压力、气体温度和气体流量的影响，作为其结果，所述样品位置随气体压力、气体温度和气体流量而变，

[0002] 所述研究包括下列连续的步骤：

[0003] - 将所述样品引入到所述样品室中，

[0004] - 使所述样品至期望的温度，

[0005] - 将所述样品暴露于所述具有气体压力和温度的活性气氛中，

[0006] - 当所述化学反应或物理变化开始时，获取所述样品的图像，所述图像显示相关联的视野、相关联的获取时间和相关联的分辨率。

背景技术

[0007] 从“在原子分辨率环境TEM中成像气-固相互作用（Imaging gas-solid interactions in an atomic resolution environmental TEM）”（X.F.Zhang 等人,今日显微镜学（Microscopy Today）,2006年9月,16-18页），这样的方法是已知的。

[0008] 在环境透射电子显微镜（ETEM）中，样品可以在例如10-2mbar至100mbar之间的压力下被研究，经常结合在常规的透射电子显微镜（TEM）中所使用的高真空压力（<10-4mbar,更典型地<10-7mbar）下研究所述样品的可能性。通过使用化学活性气体，例如催化剂中的反应可以被研究。

[0009] ETEM的主要应用在于研究湿样品（诸如生物样品），而不使它们脱水。这些研究优选地在0℃和37℃之间的温度下被进行，并且通常在所述研究期间不需要气体成分或温度中的改变。

[0010] ETEM的另一主要应用是在气-固相互作用的研究中。这样的研究包括（但不限于）气体和催化剂之间的相互作用、气体和基体材料之间的相互作用，等等。这些研究常常涉及气体的引入以开始样品和气体之间的反应，并且从所述反应开始的时刻观察所述样品。

[0011] 在所述已知的公开文献中（第18页，第2列），在实际的原位加热电子显微镜实验中，由气体的引入所导致的样品漂移被确认为主要所关心的事。Zhang记述了由气体注入所导致的变化的温度或温度波动引入所述样品的支撑的热膨胀或热收缩。实验得知：当使用例如侧面进入样品加热支持器（诸如，例如，商业上可获得的Gatan 628 单倾斜加热支持器，由Gatan有限公司制造，普莱森顿（Pleasanton）,CA 94588, USA）时，当引入气体时，所述样品支持器之上的温度梯度中的变化导致热膨胀/热收缩变化，并且因此导致位置漂移。注意到的是：由于TEM的分辨率可以低到0.1nm或者更低，甚至所述热梯度中的小的变化也可能在所述图像的获取期间引入漂移，其导致所述图像的模糊。

[0012] 注意到的是：最大漂移率发生在所述样品源于高真空状态而被初次暴露于所述气体的时刻。不久之后所述漂移消失。然而，常常不会选择等待，因为特别地，反应的开始是最主要关心的。根据所述已知的公开文献，所述漂移可以轻易地持续超过一小时。

[0013] 该文章随后继续提到以炉（furnice）的形式的专用的样品支持器。然而，这样的样品支持器严重地限制了可用的分析方法。

发明内容

[0014] 存在如下需要：在活性气氛中研究样品同时漂移在所获取的图像的分辨率方面不是限制因素的方法。

[0015] 本发明意在提供对所述问题的解决方案。

[0016] 为了该目的，根据本发明的方法的特征在于：在将所述样品暴露于所述活性气氛之前，所述样品被暴露于惰性气氛，其不对所述样品显现所述化学或物理活性，所述惰性气氛具有气体压力、气体流量和气体温度，并且所述惰性气氛的所述气体温度、气体流量和气体压力被控制到在其处当被暴露于所述惰性气氛时以及当被暴露于所述活性气氛时所述样品支持器之上的热梯度彼此足够地接近（以致在所述图像的获取时间期间，样品位置相对于视野的漂移小于所述图像的分辨率的十倍，更特别地小于所述图像的分辨率的两倍，最特别地小于所述图像的分辨率）的水平。

[0017] 本发明是基于如下理解的：在现有技术中，样品被首先暴露于例如10-4mbar的高真空。这导致所述样品支持器的第一热平衡。引入化学活性气体导致所述样品支持器之上的温度梯度变化到第二热平衡。本发明实现了：通过将所述样品支持器首先暴露于惰性气体导致所述支持器之上的相同的，或几乎相同的热平衡，所述漂移变得更小。在首选导入具有相似的热容量、温度和流量的惰性气体并随后与化学活性气体相交换时，转换期间（在所述反应开始的时刻）的漂移可以被保持足够小以获得图像（在其中归因于漂移的模糊是可忽略的，或几乎可忽略的）。

[0018] 该方法可以和任何在易抽空的样品室中检查样品并包括带电粒子装置（诸如扫描透射电子显微镜（STEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束装置（FIB）或任何配备有STEM、TEM、SEM和/或FIB柱的装置）、光子装置（诸如光学或X射线装置）和扫描探测显微镜（诸如扫描隧道显微镜（STM）等等）的仪器一起使用。

[0019] 所述方法尤其适合于在其中所述样品被加热到高于100℃（更特别地高于500℃，最特别地高于1000℃）的温度或被冷却到低于-20℃的温度（更特别地低于-137℃）、导致所述样品支持器之上的大的温度梯度的仪器。

[0020] 在优选的实施例中，所述方法结合用于透射电子显微镜或扫描透射电子显微镜的侧面进入样品支持器而被使用，因为该非对称设计易于漂移。

[0021] 优选地，STEM或TEM中的所述侧面进入样品支持器的漂移相对于视野小于1nm/s，更特别地小于0.2nm/s，最特别地小于0.1nm/s。

附图说明

[0022] 现在使用图来阐释本发明，在其中相同的参考标号指示对应的特征。为了该目的：

[0023] -图1示意性地显示了根据本发明的(E)TEM，

[0024] -图2示意性地显示了用于(E)TEM的侧面进入加热支持器，以及

[0025] -图3示意性地显示了用于研究样品的流程图。

具体实施方式

[0026] 图1示意性地显示了根据本发明的环境透射电子显微镜（ETEM）。

[0027] 所述ETEM包括外壳120，通过真空管121，其被真空泵122抽空。高压电缆109将电子源101与高压电子设备（未示出）相连接。所述电子源产生沿轴100的电子束。校准线圈102校直所述电子束，孔径103限制所述电子束并且聚光透镜104形成所述电子源的图像。物镜105随后在所述样品位置111上形成平行的电子束。注意到的是：可以用聚焦的电子束（其在所述样品之上被光栅化）照射所述样品。这被命名为扫描透射电子显微镜。所述样品（未示出）被侧面进入样品支持器112放置在所述样品位置111上。透镜106随后在荧光屏107上形成所述样品的放大的图像，其可以通过窗口108而被观察。所述屏107常常是可收缩的或可折叠的，并且因此可以被从所述光轴移除。所述电子随后可以撞击例如被安装在所述可折叠的屏之下的直接电子检测器110。

[0028] 活性气体通过管115被馈送到所述样品室119。受控的泄漏阀116控制进入所述样品室的气体的量。管117从所述样品室移除气体，所述阀118协同所述气体入口通过阀116调节所述样品室中的气体压力。未显示的是用于供应所述惰性气体的第二气体入口，以及其相关联的泄漏阀。

[0029] 注意到的是：所述入口和出口管中的所述阀可以在反馈环路中被控制，用于所述反馈的信号由例如压力测量设备（未示出）或残余气体分析器（未示出）给出。

[0030] 气体限制装置113和114限制进入所述显微镜的其余部分的气体的量，并且因此允许所述样品室中的升高的压力同时将例如所述电子枪区域中的真空度保持在高真空水平。所述气体限制装置采用光阑中的孔径的形式，或者它们可以采用对气体是透不过的但是对电子是可透过的箔片的形式。通过管123和124的差异泵送确保了所述电子源和投影室保持在高真空。泵送的第一差动级常常通过物镜极片中的孔发生。注意到的是：常常使用更多的泵送限制装置，并且所述泵送不需要由中心真空泵122执行，但是所述差异泵送可以由专用真空泵执行。

[0031] 检测器110上的图像，直接电子检测器（诸如CCD或更优选地CMOS检测器），或包括例如荧光屏的、结合光学纤维和CCD照相机的另一类型的检测器，可以在小于100ms（例如50ms）内获取图像。更低的获取时间（曝光时间）可以被使用，但是数据传输和信噪比两者变成问题。对于高级的、商业上可获得的ETEMs,所述图像的分辨率降至50pm(1/20nm)。在前述条件（获取时间1/20s，分辨率1/20nm）下，如果漂移大于例如1nm/s，则所述图像中的有效分辨率由所述漂移限制。对于一些实验，超过一秒的获取时间被使用，并且例如1nm/s的漂移会随后将所述图像分辨率限制到例如1nm。

[0032] 具有多于一个气体入口的ETEMs是已知的。例如由FEI（希尔巴罗（Hillsboro），USA）制造的商业上可获得的Titan ETEM被配备有四个气体入口。

[0033] 进一步注意到的是：泵送限制装置113、114、管123、124和气体入口115以及气体出口117偕同它们的相关联的阀116、118是ETEM的典型特性，但是所述仪器的其余部分与标准的（非环境）TEM相似或者与标准的（非环境）TEM相同。

[0034] 也注意到的是：所述ETEM可以被配备有许多类型的检测器，以及用于例如球面像差和色像差的校正的校正器，和/或能量过滤器。

[0035] 代替所显示的泄漏阀，可以使用质量流控制器、（自动化的）泄漏阀、或任何能够调节气体流量的其它种类的阀。同样地，代替两个或更多气体入口，可以使用具有气体混合单元的一个气体入口。

[0036] 图2示意性地显示了用于(E)TEM的侧面进入加热支持器。所述加热支持器在AA’右边的部分机械上与标准的支持器相似。被用于定位所述(E)TEM并与所述(E)TEM联锁的恰当尺寸（包括销钉（pin）（像销钉202a和202b）的位置和尺寸）和杆214的直径取决于在其中所述加热支持器要被使用的(E)TEM。在AA’右边，所述样品支持器与标准的TEM支持器相似，除电连接206之外。在AA’左边，所述支持器示出了热隔离器208、基座210和端梢（tip）212。参考平面216是所述支持器用其靠在所述(E)TEM上的平面。

[0037] 端梢（tip）212可以通过加热器而被加热并且具有凹部以支持样品载体，例如标准的3mm网格。由此，被安装在所述样品载体上的样品可以被放置在所述支持器上并且被定位在所述(E)TEM的光轴上。

[0038] 注意到的是：因为所述支持器在参考平面216靠在所述(E)TEM上，所述杆、所述热隔离器、所述基座和所述端梢的长度不应该受所述端梢的温度的影响，因为这会导致漂移。

[0039] 所述加热器是例如炉或电阻线加热器，以使所述端梢至高的温度。热电偶可以被包括以指示所述温度。所述加热器和所述热电偶所需的四条线被连接到集成在基座210中的真空密封的馈通（feed-through）。热隔离器208（例如薄壁的陶瓷管）被焊接到所述基座210和杆214。所述隔离器208和杆214两者是空心的，以便所述电连接可以被馈送到电连接器206。优选地，所述杆由具有低的热膨胀率的导热材料制成。连同所述热隔离器208的低的导热率（归因于所使用的材料和所述管的薄壁），大部分温度梯度在所述热隔离器之上产生。所述杆214之上的温度梯度和热膨胀是低的，甚至在所述端梢和基座的升高的温度下。
同样地，因为经过热隔离器208的导热率是低的，相对小的功率足够加热所述端梢。这样，商业上可获得的支持器达到超过1000℃的端梢温度。

[0040] 在高的温度下，不同部分的热负荷归因于通过所述材料的导热率和由例如所述样品室中的红外线反射产生的辐射。在真空中，不存在通过气体的传导率。然而，在例如1 mbar或更高的升高的压力下，所述气体影响所述支持器之上的热梯度，具有所述端梢上的冷却效应和所述杆上的加热效应。作为结果，所述端梢处的温度可能改变，并且从端梢到所述参考平面的膨胀将变化。

[0041] 注意到的是：尽管花费了极大的努力建构通过所述陶瓷管的导热率以及保持杆、陶瓷管和基座的组合的膨胀系数尽可能小，当从高真空变化到大约1 mbar的气体压力时，例如一微米或更多的膨胀不能被避免。现今，商业上可获得的(E)TEM在高真空下可以具有小于100pm的分辨率，并且在15 mbar的压力下可以具有小于150pm的分辨率。一微米的膨胀因此比所述分辨率大许多数量级，并且随之在连续图像的视野中保持相同的特征是十分困难的。

[0042] 图3示意性地显示了用于研究样品的流程图。

[0043] 在步骤301中，所述样品被引入到所述样品室中。这可以被如安装在所述侧面进入支持器112上，但是其也可以由加载锁机构（在其中包括所述样品的端梢被引入到所述仪器中并且被耦合到操纵器，所述操纵器是可加热的）引入。包括这样的加载锁（尽管是不可加热的）的TEM在欧洲专利申请EP09174548中被描述。

[0044] 在步骤302中，惰性气体被引入到所述样品室中。这样的惰性气体典型地来自于惰性气体（noble gasses）组或氮气，但是可以包括任何显现出不与所述样品起反应或与所述样品起反应可以忽略的气体或由任何显现出不与所述样品起反应或与所述样品起反应可以忽略的气体组成。注意到的是：所述样品室可以已经在步骤301之前被所述惰性气体填充。步骤301和302因此是可互换的。

[0045] 在步骤303，使所述样品至期望的温度。这可以是高于环境温度的温度，但是也可以是低于环境温度的温度。可以用电阻加热执行加热，但是可替代地，可以使用利用激光的加热。也可以使用其它类型的加热（例如RF加热）。可以通过将所述端梢与冷源（诸如液氮）相连接而实现冷却，如在美国专利No.7420184中所描述的，或者所述样品支持器可以被配备有小的冷却单元，如在“用于冷却低温检测器和电子设备的微机械的Joule-Thomson冷却器（Micromachined Joule-Thomson cooler for cooling low-temperature detectors and electronics）”（H.J.M.ter Brake等人，关于空间光学的第7次国际会议的会议论文集th（Proceedings of the 7  international conference on space optics），10月14-17，
2008）中所描述的，或者被连接到珀尔帖（Peltier）冷却器。

[0046] 在步骤304中，所述样品被带到稳定的、无漂移的位置。注意到的是：在步骤303中使所述样品至期望的温度可以在在步骤302中将所述样品暴露于所述惰性气体之前被执行，但是必须在被暴露于所述惰性气体的时候达到热平衡。

[0047] 在步骤305中，图像的所述获取开始。因为所述研究常常涉及过程的观察，其常常涉及一系列图像（在将其暴露于活性气氛之前获取的优选的一个图像（参考图像），以及来自所述化学反应或物理变化（其在将所述样品暴露于所述活性气氛时开始）的开始的一个或多个图像）。

[0048] 在步骤306中，所述样品被暴露于所述活性气氛，并且因此所述化学反应或物理变化开始。所述研究常常涉及若干分钟期间的图像的获取。所述反应可以是化学反应，作为将所述样品暴露于化学活性气体的结果。特别所关心的是气体和催化剂的化学反应。所述反应可以是物理变化，诸如相变。例子是：源自在固体上生长的气相的晶须的生长，或由暴露于气体引起的表面结构中的变化。

[0049] 注意到的是：尽管针对加热的样品阐释了本发明，检查的另一领域是例如在在其中非晶态冰是稳定的（在高于137℃的温度下，非晶态冰变成另一类型的冰，并且冰针产生，其改变（损害）所述样品）温度下的生物样品的检查。当针对这样的样品的ETEM实验出现时，例如用于蚀刻冰冻的样品，与针对加热的样品相似的问题产生。此处也首次将所述（冰冻的）样品暴露于惰性气氛，诸如惰性气体或氮气。同样地，其它的在良好地低于室温的温度下的ETEM实验被展望。

[0050] 进一步注意到的是：尽管仅针对电子显微镜描述了本发明，本领域技术人员将认识到在例如X射线显微镜、光学显微镜、或者扫描探测显微镜（包括扫描隧道显微镜和相关联的显微镜）中使用本发明所需的改变。因为这样的技术甚至允许更高的压力，所述气体对热平衡的影响甚至将是更严重的。