电子显微镜样本制备：“未来展望：冷冻、动态、混合的世界”

采访安特卫普大学EMAT（材料科学电子显微镜）徕卡参考项目站点的Staf van Tendeloo和Frédéric Leroux

2014年，知名的比利时安特卫普大学材料科学电子显微镜（EMAT） 研究实验室和徕卡显微系统开始在安特卫普合作，共同建立徕卡参考项目站点。 

站点于2014年7月正式开放，专注于材料科学电子显微镜样本制备领域，尤其是离子束研磨以及最近的碳镀膜技术。

本次采访中，EMAT主任Gustaf van Tendeloo教授和TEM样本制备专家Frédéric Leroux讨论了EMAT方面的研究课题、徕卡参考项目站点的发展以及EM样本制备的未来趋势。

图1：Frédéric Leroux博士，TEM样本制备专家，EMAT，比利时安特卫普大学

与徕卡显微系统合作建立参考项目站点的目标是什么？

Staf van Tendeloo：EMAT研究实验室在全 球先进电子显微镜分析领域享有盛誉。每天，有超过25名研究人员使用电子显微镜获取和分析TEM数据。我们共有9台电子显微镜，其中的最 新款式均为球差电镜。原位球差校正显微镜技术极大地影响和改善了现代电子显微镜的应用场景。它将先进材料的表征提升至原子级别。但是，要获取原子级别的结构信息，需要高质量的TEM样品。

Frédéric Leroux：确实如此。TEM样本的质量会对TEM图像的清晰度和结构细节产生显著的影响。提升这些样本的质量是我们的一项主要目标。因此，我们希望能够通过与徕卡显微系统的合作，进一步开发和改善全新应用场景，推进材料科学表征的新发展。作为科学家，我们都迫不及待地想要使用徕卡仪器，将它们的优势发挥到极 致，将电镜样品制备的效果提升至新水平。

站点的用户能够获得哪些优势？

Staf van Tendeloo：自1965年以来，EMAT在基础性固体物理学、材料科学、固体化学和材料表征的众多领域开展了大量的研究活动。随着研究尺度细至纳米和亚纳米层面，电子显微镜在分析结构与理化特性方面有着不可替代的重要作用。

随着我们对“电子束-材料”相互作用的基本现象的认识在不断加深，再加上计算机性能的大幅提升，现在我们可以更好地确定局部结构、局部成分乃至局部电子结构。我们可以用它观察多种材料，如半导体、合金、聚合物催化剂以及小颗粒、表面层、多层和复合材料。

先进的电子显微镜不仅要具备良好的埃米级清晰度：还包括局部结构确定和非弹性散射电子分析的先进衍射技术，以获取成分和电子信息。EMAT的优势在于，我们在这些技术方面同时拥有专业的理论和实验知识。

谁可以使用站点？

Staf van Tendeloo：我们在基础研究、科研团体和工业研究方面有明确的界定。对工业研究，我们要签订保密协议和合同，研究成果完全归属于公司。

对基础性研究，我们欢迎各种有意向的项目，双方都可讨论。通过EC项目“ESTEEM2”（www.esteem2.eu），可以授予跨国的访问权限。

这里可以实现哪些应用和研究目标？

Staf van Tendeloo：EMAT的研究范畴包括先进电子衍射、晶体结构、亚埃级超高清，电子断层成像和纳米级3D形态重建，以及用于成分分布图的能量过滤TEM，用于电子（键）的分析的电子能量损失谱（EELS）等。

EMAT还可以为EM仿真模拟和解读以及DFT离散傅里叶计算提供理论支持。研究材料的范围很广，包括合金、陶瓷、复合材料，还有纳米粒子、碳基材料、多孔材料、软物质、硬物质和聚合物，然而纳米结构材料是一项重 点研究领域。

图2：TEM表征在300°C下加工的已制备和已退火的α-Fe2O3纳米镀层。（2a）已制备样本的横截面HAADF-STEM图像，插图所示为EDX化学分布图。（2b）已退火样本的横截面HAADF-STEM显微图。（2c）已制备样本的FTO/ α-Fe2O3界面的明场TEM图像。插图：α-Fe2O3纳米镀层的ED图案。（2D）已退火样本中α-Fe2O3树突的代表性HAADF-STEM图像。白色箭头指示部分低对比度小孔。（2e）已退火样本中α-Fe2O3树突的高清晰HAADF-STEM显微图。图像节取自10d白色矩形标注的区域。（TEM图像由EMAT的Stuart Turner博士获取）

合作站点启动以来有哪些亮点？

Frédéric Leroux：我们最近安装了徕卡EM ACE600镀膜机，以提升我们的显微镜性能。在执行原子尺度的分析或SEM研究过程中，样本上每多沉积一纳米的无定形碳，都会影响获得数据的信噪比，而且对于分析没有任何额外的好处。这款镀膜机具备优异的可再现性和精确度，显著提升了我们的研究结果。

我们最近还在用徕卡EM RES102优化薄膜的氩离子束研磨。在这方面，我们的目标是在不损失样本质量的情况下提高样本的制备数量。

您为何选择徕卡显微系统作为合作伙伴？

Frédéric Leroux：选择徕卡显微系统作为我们合作伙伴的主要原因是，我们一直在用早期型号的徕卡EMRES102离子束研磨系统和超薄切片机。直到今天我们还在使用这些早期型号的机器，自从它们来到我们的实验室后，已经为我们提供了很多稳定的解决方案，用起来非常灵活。此外，这些仪器的再现性同样出色，这正是我们需要的品质之一。这些仪器十分专业，能充分满足应用领域的各类需求。

图3：使用徕卡EMRES102制备的SrTiO3样本平面图。在放大的STEM图像中，我们可以看到整个图像有着相同的对比度，所有原子柱都清晰可见（STEM图像由EMAT Nicolas Gauquelin博士获取）。

作为站点的主任，您的愿景是什么？您的目标是什么，有哪些期望？

Staf van Tendeloo：电子显微镜是为数不多的可以提供纳米级乃至原子级信息的工具之一。随着各种技术朝着更细微小的尺度发展，相应尺度的成像技术也是推动其他技术进步的必备条件。

电子显微镜已发展为一种成熟完善的分析技术，不仅能够提供结构信息，还能够提供化学和键合信息。之前主要是二维信息，现在还可以提供三维信息。最关键的当然还是制备出出色的清洁样本。因此TEM样本制备的重要性将日益凸显。

一探未来：未来10年显微镜样本制备将如何发展？

Frédéric Leroux：我认为未来的发展将朝向冷冻、动态和混合的方向。过去十年，很多软物质电子显微镜已经被损伤性更低的技术所取代，例如共焦、双光子、多光子和近场光学显微镜，冷冻TEM分析在生物材料、有机/无机界面和近原子级别纳米生物材料的分析中仍将发挥重要作用。在这个快速发展的领域，我们需要发展多样化的样本制备技术。除此之外，为在这一领域实现新的跨越，冷冻TEM与光学显微镜相结合进行样本制备将至关重要。

市场将更加关注分析流程、针对性更强的交互、生长、温度引发的结构转变等领域。虽然化学过程的原位实验观察已经实现，但时间和空间解析度还有待提升。还有一个重要的领域：电子显微镜仪器和样本制备技术的同步发展将释放出巨大潜力。

复合混成材料的制作和分析需求将越来越大。虽然软物质和硬物质需要不同的制备方法和仪器，但具体还要视属性而定。在这方面，市场需要提供和开发针对性的工具箱，帮助制备和表征这些新型材料。

EMAT实验室配置有徕卡EMACE600 镀膜机、EMRES102离子束研磨系统以及多种显微镜和超薄切片机。