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幸运赛车奖金原位电子显微技术盘点:测量设备、应用案例及热点市场需求探讨
作者:幸运赛车 发布日期:2018-05-20

  近年来,透射电子显微镜(TEM)已达到划时代的亚埃级分辨率(0.1nm),这为科学家们对物质的探索带了新的可能。而传统TEM测试仅仅是“看”,随着科技水平的发展,人们越来越不仅仅满足于在原子级别观察样品,更希望能用“手”去操纵和测量样品,这便引入了原位测量的概念。

  原位技术将电镜的应用扩展到金属合金、催化剂、能源材料、纳米颗粒和材料、低纬度材料、薄膜和涂层、缺陷和故障分析、半导体、细胞生物学、纳米医学和纳米生物技术、生物化学、癌症生物学遗迹神经科学等领域,研究学者可以通过原位透射电子显微技术捕获样品对环境的动态感应,包括尺寸、形态、晶体结构、原子结构、化学健、热能变化等重要信息。因而,原位透射显微镜已经不仅仅是一个成像工具,而进化为原子尺度下的一个实验平台或称之为纳米反应器。随之,原位电子显微学也成为时下的研究热点之一。

  前不久,2017年全国电子显微学学术年会在成都星宸皇家金煦酒店圆满落幕。作为合作媒体,仪器信息网也真切感受到与会者对‘原位电子显微学’的关注热情。为方便广大网友对原位电子显微学相关设备、技术及应用有更直观的认识,仪器信息网编辑随机选择DENSsolutions、安徽泽攸科技有限公司、厦门芯极科技有限责任公司等3家相关参展设备商,根据其提供的资料,将各自产品技术优势、典型案例、技术发展趋势等情况整理成文,供读者参考。

  近年来,微纳米材料的液-固、气-固,固-液-气界面反应广泛应用于能源、环保等重要国计民生领域。深入研究这些界面反应机理,开辟创新技术新途径,例如XPS,XAS,XRD, FTIR, Raman等各种原位光谱技术, 能够实现原位表面或者体相结构变化动态研究,不再依赖“主要依靠理论模型给出相应关联”的研究模式,但仍然无法实现“原位、清楚观测”,做到“所测即所见”。为了达到这一目标,微结构可视化、原位多通道、实时观测手段便成为最佳选择之一,最为典型的是原位透射电镜TEM技术。

  随着微纳米加工技术的发展,液体池的出现,电镜内仅仅实现原位观察液体环境微纳米材料的动态生长和电化学过程。与在高分辨和高衬度成像两方面所取得的广泛进展相比,对液体和常压气体环境中的高分辨原位观察还远未能够在电镜中彻底实现。更甚者,外场作用下材料在原子尺度的形态变化越来越成为材料研究和开发的根本。

  因此,外场的引入是未来电镜发展的趋势之一,比如热场、电场、磁场、力场、光场、电化学场等施加到样品上,对其进行原位观察,对于开展材料的结构-性能关系研究具有重要的指导意义。在诸如催光电化反应氧化-还原机制、半导体电输运性质、超结构有序自组装、磁性材料磁畴取向、活性位晶面选择性暴露、纳米材料的力学性能方面展开深入系统有针对的研究。当前的核心技术主要体现在原位样品杆的设计和制作上,针对体系进行优化设计能够在同类型的电镜上通用,体现相当大的实用性和灵活性,针对性。

  对于原位电镜技术而言,最需要解决的,还是观察的稳定性与分辨率之间的平衡,因为很多原位技术还是以损失分辨率为前提的。因此,对于微纳米加工技术的发展,推动液体池的设计创新,显得尤为重要。目前,采用最多的液体池,窗口都是SiNX或者石墨烯。目前的SiNX厚度已经接近极限,分辨率且已达原子级。而石墨烯池,只能限于针对的特定体系,对于光热等外场引入,显得困难较大。寻求合适的材料代替,也是方向之一。此外,针对体系进行特定体系的原位池制作,与原位杆子进行配合使用,也是创新之一。相应地,电镜的内部构造在保证安全可靠的前提下逐渐朝着适应原位研究的功能进行升级与改造,从而实时高分辨高时空分辨率原位检测也是未来的趋势之一。

  材料领域:通过对电镜样品室抽真空系统的改造或者对电镜样品杆的特殊设计,使得透射电镜中的样品可以处于气体环境或液体环境之中。这种电镜特别适用于与气-液-固体相互作用及反应有关的物理或化学过程并能揭示原子层次的反应机制,在诸如纳米材料生长、催化反应、纳米电学,纳米力学、以及高温相变等现代材料研究领域中具有广泛的应用前景和独特的价值。

  生物医疗等领域:人类利用电镜技术可以实时观察生物膜的结构和细胞内各种西细胞器的形态学结构。也可以发现和识别肿瘤病毒,如SARS病毒是首先在电镜下观察实现和确认的。目前电镜也可实现肾活检,肿瘤真诊治。对于临床病例诊断也是极大的促进作用,如电镜技术与免疫学技术的结合产生免疫电镜技术,可针对细胞表面及其内部的抗原进行定位。

  公司简介——公司成立于2014年,是荷兰原位显微学公司DENSsolutions在大中国地区总代理,负责DENSsolutions原位样品控制平台(原位样品杆)的销售和服务并支持该公司在中国地区推广品牌。

  DENSsolutions的原位样品控制系统主要包括对样品的温度、电场、电流、液体、以及气氛种类、比例、流速和压力的控制。该公司为荷兰Delft理工大学投资,自2012年成立,核心团队利用欧洲完备的产业链将实验室内的原位控制技术商业化、标准化,推出了热力学Wildfire、电学Lightning、液体环境Ocean、气氛环境Climate四大系统。

  DENS产品技术优势——1)稳定性:采用金属丝加热的芯片实验室设计保证高温下优异的TEM性能;在1300℃时,样品漂移低至0.5nm/min,优秀的电学稳定性和温度稳定性;纳米反应器支持高达1个大气压的压力和加热到1000℃高温,并实现亚埃级分辨率(0.1nm)。2)准确获取实时动态:高温、高压或高电场时观测材料纳米级别的实时演变。纳米池内观测液体中反应过程,获取实时动态,记录化学反应过程、纳米颗粒生长,沉积原理及团聚过程。3)自然还原生态环境:高精度可控的温度环境,高温下提供高电场,支持高偏压,高电流,保持样品的液体环境,可控的液体类型、流速、静态与动态的液体环境,结合加热和偏压的功能,简化实验过程,可控的研究材料特性。4)全面采集完整信息:高达200℃/ms加热与淬火的急速响应,高温下实现高质量的EDX和EELS分析,高精度电压电流测量、pA的电流测量精度,关联电学特性和结构变化。5)安全性:先进的三重保障检漏测仪保障TEM及样品的安全,自对齐以及高等级的实验安全性。

  国内典型用户及案例——据厂商提供资料,典型用户单位包括清华大学、北京大学、浙江大学、上海交通大学、武汉大学、中科院物理所、大连化物所、沈阳金属所、中石化研究所、中科合成油等。

  案例1:热处理可以提高合金硬度,处理的温度对合金的性能影响很大,传统研究只能做处理后的表征。据厂商提供资料,某教授团队按照一定的处理工艺在电子显微镜中做热处理,实时观测沉淀相生长的状况。观察到沉淀相长大的过程与快慢,及针状沉淀相与弯曲的位错圈在生长过程中的相互作用,且这些现象与工艺性能曲线个小时实验条件下获得良好数据,并将相关结果发表在Nature 子刊。

  案例2:据厂商提供资料,在催化研究方面,过去为了解加入气体对晶体形态的影响已经有了很多的进展,然而,大部分的工作仅限于低气压下,远远低于现实环境。某教授团队通过原位技术观察纳米反应炉内在一个大气压的氢气环境里面的形态的动态变化过程。基于校正后的表面能的全面Wulff结构和实验完全一致。这样的发现为今后加入气体的处理能用来塑造纳米催化剂形态提供了新的可能。

  公司简介——安徽泽攸科技有限公司(Zeptools)是一家具有自主知识产权的先进装备制造公司。公司致力于向客户提供原位透射电镜解决方案、纳米操纵手、MEMS传感器、高精度源表等产品,也是目前为数不多自主研发、生产并提供整套国产原位TEM解决方案的公司。

  公司拥有广泛的原位TEM解决方案,涵盖五大系列:基于MEMS技术的原位TEM解决方案、基于纳米操纵探针的原位解决方案、原位光学-电学测试系统、原位力学-电学测试系统。据悉,除以上四大系列产品外,公司的原位气氛解决方案也在抓紧研发中,预计在2018年上半年正式推出。

  Zeptools产品技术优势——基于MEMS技术的AL-insitu系列产品特色是一杆多用,通过一根多功能样品杆搭配不同MEMS芯片和附件,可以实现电学、低温、加热、液体、电化学、双倾等功能,产品性能指标和稳定性均很优秀。基于纳米操纵探针的原位解决方案不仅可以在亚纳米级别精确操纵样品,还有装样相对简单、不消耗耗材等优势,可以进行原位电学、电化学等实验。如Z-insitu系统可以实现原位电学、低温、电化学、双倾等功能。原位光学-电学测试系统,在TEM中实现原位电致发光或光谱测试。如Ap-insitu系统可以实现原位光学、电学等功能。该方案也是目前世面上最优的原位TEM光学解决方案。原位力学-电学测试系统的H-insitu系统可以实现原位电学、力学等功能,该解决方案可以实现载荷分辨率5 nN的精确力学测试。

  国内典型用户——据厂商提供资料,公司客户如中国科学院物理研究所、北京工业大学、中国科学院过程工程研究所、北京大学、浙江大学、清华大学、中国科学院硅酸盐研究所、厦门大学、电子科技大学、苏州大学、苏州科技大学、郑州大学、中国石油大学、北京交通大学、中国科学院大连化学物理研究所、Queesland University of Technology等数十家研究机构。相关成果发表于Nature及其子刊/PRL/JACS/Adv. Mater./Nano Lett.等杂志。

  公司简介——厦门芯极科技有限责任公司是一家留学人员回国创业的集研发、生产、销售为一体的高新科技企业。公司建立了完备的微流控芯片研发与生产工艺流程,掌握了国际前沿原位芯片生产技术,与美国Berkeley Nanolab,美国Bipolar-Tech LLC和厦门大学建立了产品研发合作伙伴关系。产品涵盖通用材料化学分析芯片、集成式通用医疗诊断芯片、集成式通用环境保护分析监测芯片、集成式通用食品安全分析检测芯片和基于微流控芯片的新能源体系四大系列数十个品种,以及各类科研类芯片。

  产品技术优势——公司提供的产品和服务按市场可分为科研类芯片、仪器标配芯片、应用类芯片及系统和芯片实验室解决方案。科研类芯片服务于基于微流控芯片的科研工作者,提供包括聚硅基各种不同材质的微流控芯片的设计与制备,用户配置必要的辅助设备即可使用;仪器标配芯片是针对国内市场上微流控芯片仪器开发的标准芯片,为微流控芯片仪器的核心组件,应用类芯片及系统是利用微流控芯片的技术优势开发的分析检测装置,应用于环保、食品安全、药物筛选等领域;芯片实验室解决方案为客户提供一对一微流控芯片科研或应用的解决方案,分为产品和科技咨询两个方面:产品包括微流控芯片加工、检测仪器设备配置及微流控芯片配件配置;科技咨询为客户提供组建芯片实验室的整体方案、解决微流控芯片应用中的技术难题、微流控芯片项目研发服务等。

  厂商提供典型应用案例——1)高分辨静态池在纳米材料液相合成高分辨研究中的应用:通过使用高分辨静态原位池芯片,首次实现了高分辨率实时原位观察纳米晶体在溶液中的成核生长及形貌演变过程,研究工作发表在Science 期刊。发现了包括一维铁铂纳米棒的 3 步生长过程,形状诱导附着组装机理,及生长过程中的形貌结构自我修正等机理。并通过原位液体环境 TEM 研究了表面活性剂在胶体纳米晶体生长中形貌控制的实现过程及机理,首次发现了邻位粒子在胶体纳米粒子生长过程中对粒子的形貌的巨大影响。2014年进一步实现了每秒 400-1600 帧原子级高分辨率的图像采集,幸运赛车奖金观察到纳米立方体晶体的生长及各个晶面的演变过程,发现在纳米尺度晶体生长过程中表面能最小化的原则不再适用。这一研究对纳米尺度晶体生长规律提出了全新的认识,发表在2014年八月出版的Science 期刊上。2)原位电化学系统在电沉积及锂电池研究中的应用:在发展原位液体环境TEM方法和纳米材料生长机理的研究同时,还开展了储能电池原位透射电镜研究方向,首次实现了锂枝晶生长及SEI膜形成过程的观察。到目前为止,团队实现了许多纳米材料独特的动态过程可视化的研究。此外,发展的原位液体环境TEM方法在其他领域具有重要的应用, 例如 ,蛋白质在液体水中的成像达到纳米级分辨率。原位液体透射电镜在材料科学,物理学,化学和生物学的的基础研究中有广泛的应用前景。

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