CN107505174A - 一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，其包括如下步骤：(1)对液体注入装置进行清洗；(2)把Peek管的一端与中空玻璃针管的一端连接；(3)把中空玻璃针管固定到微操作手上；(4)用注射器吸取液体样品；(5)卸下吸液针头，把Peek管的另一端与注射器连接；(6)将原位加热芯片放置于显微镜的载物台上；(7)把中空玻璃针管移动到针尖与所要加样的Si₃N₄薄膜对应的位置；(8)通过注射器把纳米材料液体沿Peek管注入到中空玻璃针管，然后经针尖分散到所要加样的Si₃N₄薄膜上。本发明能够对样品溶液进行精确滴定，其制样简单且能降低成本，并便于在一个芯片上进行对比实验，提高对芯片的使用率。

Description

一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法

技术领域

本发明涉及透射电镜原位测试样品制备领域，特别涉及一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法。

背景技术

基于MEMS芯片的透射电镜原位加热实验能够在原子尺度下观察功能纳米材料(包括纳米颗粒和粉末)的动态物理和化学过程，是研究纳米材料制备和使用过程中形貌、结构和性能变化及反应机理的有效手段。商业的透射电镜原位加热芯片一般由Si基片、金属加热环形电极和Si₃N₄薄膜构成。覆盖于金属环形电极中圆孔或者环形电极之间的Si₃N₄薄膜孔起支撑纳米材料、导热和电子束透明的功能。常规原位加热芯片上分布有数十个可供透射电镜观察的尺寸在10μm左右、厚度为几十个纳米的Si₃N₄薄膜区域，透射电镜原位加热样品制备时需要将纳米材料分散到这些小且薄的Si₃N₄薄膜区域上。

就纳米材料样品而言，通常的透射电镜原位加热芯片制样方法为：根据纳米材料的性质将其超声分散于水或者有机溶剂中，然后用吸管直接将含有纳米材料的溶液滴在纳米芯片的整个加热区域，待溶剂挥发后纳米材料附着在Si₃N₄薄膜区域上。用吸管直接将含有纳米材料的溶液滴在透射电镜原位加热芯片加热区域的传统制样方法主要存在以下缺点：(1)可供观察的Si₃N₄薄膜区域利用率不高，因为现有的制备方法使得纳米材料样品覆盖于芯片上所有的Si₃N₄薄膜区域，然而透射电镜原位加热实验过程中，实际所观察样品的区域大都在纳米或者原子尺度范围，因此整个实验过程中只需要几个10μm左右的Si₃N₄薄膜区域就能满足原位观察需求，其余含有纳米材料样品的Si₃N₄薄膜区域基本上不会使用；(2)不能在同一加热芯片上针对不同样品进行比对实验，因为现有的制样方法不能在同一芯片上10μm左右尺寸的Si₃N₄薄膜区域单独滴定需要对比的不同样品，因此针对同一原位加热条件下不同样品的对比实验只能重新利用另外一个芯片进行实验，实验耗时；(3)现有方法由于滴定过程中每一次的液滴量相对于Si₃N₄薄膜区域面积而言很大，如果样品浓度稍高，滴定过程中纳米材料样品之间很容易团聚并堵塞Si₃N₄薄膜，影响制样成功率和后序的透射电镜观察，制样难度大；(4)实验成本较高，透射电镜原位加热芯片属于特殊的实验耗材，单次实验需要的芯片成本相对较高。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，从而克服现有的透射电镜原位加热芯片的制样方法存在Si₃N₄薄膜区域利用率不高、不能在同一加热芯片上针对不同样品进行比对实验以及制样难度大且成本高的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，其中，包括如下步骤：(1)对液体注入装置进行清洗，所述液体注入装置包括注射器以及吸液针头；(2)把一Peek管的一端与一中空玻璃针管的一端连接，所述中空玻璃针管的另一端为一呈锥形状的针尖；(3)把所述中空玻璃针管固定到微操作手上，并使所述中空玻璃针管的所述针尖朝下；(4)用安装有所述吸液针头的所述注射器吸取经超声分散后的纳米材料液体样品；(5)从所述注射器上卸下所述吸液针头，并把所述Peek管的另一端与所述注射器连接；(6)将原位加热芯片放置于显微镜的载物台上，然后在显微镜下，利用微操作手把所述中空玻璃针管移动到所述针尖与所述原位加热芯片对正；(7)在显微镜下，利用微操作手把所述中空玻璃针管移动到所述针尖与所述原位加热芯片上所要加样的Si₃N₄薄膜对应的位置；(8)通过注射器把纳米材料液体沿Peek管注入到所述中空玻璃针管，然后使所述中空玻璃针管中的液体经所述针尖分散到所要加样的Si₃N₄薄膜上。

优选地，上述技术方案中，液体注入装置还包括转换头、套圈以及螺母，所述注射器通过所述转换头、所述套圈以及所述螺母与所述Peek管的另一端连接。

优选地，上述技术方案中，所述步骤(1)中，把液体注入装置的所有部件放入带有蒸馏水的烧杯中，然后一并放入到超声波清洗仪中清洗。

优选地，上述技术方案中，所述中空玻璃针管的所述针尖的最小端的内径为3～8μm，且所述针尖的最大端的内径为600μm。

优选地，上述技术方案中，所述中空玻璃针管由中空的玻璃毛细管制作而成；所述中空玻璃针管的制备方法为：将中空毛细玻璃管设置于拉针仪上，拉针仪在工作温度为580～650℃的情况下，对中空毛细玻璃管采用应力牵引的方法来获得所述中空玻璃针管。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的制样过程简单且能降低成本，采用中空玻璃针管实现纳米材料在透射电镜原位加热芯片中单个Si₃N₄薄膜区域的精确滴定，使得滴定过程中的液滴量可控，可根据情况在同一Si₃N₄薄膜区域进行多次滴定，以有效提高制样成功率，且对加热芯片不具有破坏性；对同一加热芯片而言，前次实验没有使用过的Si₃N₄薄膜下次实验可以继续使用，从而提高芯片的使用率并节约透射电镜原位加热实验的成本；且本发明可根据需要将不同样品滴定到同一个芯片上的不同Si₃N₄薄膜区域进行对比实验，从而提高比对实验的精确度并节省时间。

附图说明

图1是根据本发明的纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1显示了根据本发明优选实施方式的一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法的结构示意图，该纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法包括如下步骤：

(1)对液体注入装置进行清洗，液体注入装置包括注射器以及吸液针头，吸液针头以能够拆卸的方式与注射器连接。优选地，在步骤(1)中进行清洗时，把液体注入装置中所有的部件放入带有蒸馏水的烧杯中，烧杯的容积为250mL，直径为5cm，杯中装入200mL的蒸馏水。然后将所有的部件和烧杯一并放入到超声波清洗仪中清洗10min，并重复清洗1次。

(2)把一Peek管的一端与一中空玻璃针管的一端连接，中空玻璃针管的另一端为一呈锥形状的针尖；Peek管与中空玻璃针管连接的端部与中空玻璃针管的变形部位完全接触并咬合。中空玻璃针管的内径为微米级的，优选地，中空玻璃针管的针尖的最小端的内径为3～8μm，最大端的内径为600μm。Peek管的规格为长度500mm、外径0.36mm，内径1mm，这时取中空玻璃针管的针尖的最大端的外径为1mm。进一步优选地，中空玻璃针管由中空的玻璃毛细管制作而成；中空玻璃针管的具体制备方法为：将中空毛细玻璃管设置于拉针仪上，拉针仪在工作温度为580～650℃的情况下，对中空毛细玻璃管采用应力牵引的方法来获得具有锥形状的针尖的中空玻璃针管。制作过程使用的中空毛细玻璃管的规格可采用长度9mm、外径1mm、内径0.6mm。

(3)把中空玻璃针管固定到微操作手上，并使中空玻璃针管的针尖朝下；微操作手为配置在显微镜旁边的操作仪器。

(4)用安装有吸液针头的注射器吸取大约2mL的经超声分散后的纳米材料液体样品。具体过程为先将纳米材料样品超声分散到液体溶液中，然后把吸液针头固定到注射器上，再使注射器通过吸液针头吸取约2mL的经超声分散后的纳米材料液体样品。

(5)从注射器上卸下吸液针头，并把Peek管的另一端与注射器连接。优选地，液体注入装置还包括转换头、套圈以及螺母，注射器通过转换头、套圈以及螺母与Peek管的另一端连接。在实验前可以先把Peek管的另一端插入到转换头上，使Peek管的另一端穿过转换头并露出管头几毫米，再在Peek管上套入螺母和套圈，螺母移动到转换头附近，并与套圈的一端通过螺纹连接；在与注射器连接时，将套圈上的另一端通过螺纹连接的方式与注射器端部进行连接，便可实现固定，并使Peek管的一端与中空玻璃针管连通，另一端与注射器连通。

(6)将原位加热芯片放置于显微镜的载物台上，显微镜为体式光学显微镜。然后在显微镜下，找到芯片的位置并聚焦清楚，再手动调节微操作手，把中空玻璃针管移动到针尖与原位加热芯片对正的位置，且使针尖距离原位加热芯片约2-3mm。

(7)在显微镜下，利用微操作手把中空玻璃针管移动到针尖与原位加热芯片上所要加样的Si₃N₄薄膜对应的位置。具体过程可以为：找到中空玻璃针管的针尖的位置，利用微操作手垂直方向z的高度调节器逐渐降低针尖的高度，然后利用微操作手中水平方向x和y调节器调节针尖至所要加样的Si₃N₄薄膜位置，设置微操作手在三个方向上的移动精度为1μm，缓慢调节针尖与原位加热芯片上的Si₃N₄薄膜刚好接触。因为直径为几个微米的针尖具有很好的韧性，所以即使针尖与Si₃N₄薄膜接触也不会使其发生破坏。

(8)推动注射器的活塞，以通过注射器把纳米材料液体沿Peek管注入到中空玻璃针管，然后使中空玻璃针管中的液体经针尖分散到所要加样的Si₃N₄薄膜上，以对纳米材料液体进行精确滴定。本发明采用针尖内径为微米级的中空玻璃针管与微操作手和显微镜相结合的方法实现透射电镜原位加热芯片中单个尺寸在几微米的Si₃N₄薄膜区域的样品精确滴定，且注射器与中空玻璃针管之间采用柔性的Peek管连接，目的是为了避免液体注入过程中注射器的晃动改变中空玻璃针管的位置而影响样品滴定的精度或者破坏Si₃N₄薄膜，中空玻璃管的针尖能精确控制注入Si₃N₄薄膜上的液体体积。

本发明的制样过程简单且能降低成本，采用针尖内径为微米级的中空玻璃针管实现纳米材料在透射电镜原位加热芯片中单个Si₃N₄薄膜区域的精确滴定，使得滴定过程中的液滴量可控，可根据情况在同一Si₃N₄薄膜区域进行多次滴定，以有效提高制样成功率，且对加热芯片不具有破坏性；对同一加热芯片而言，前次实验没有使用过的Si₃N₄薄膜下次实验可以继续使用，从而提高芯片的使用率，并节约透射电镜原位加热实验的成本；且本发明可根据需要将不同样品滴定到同一个芯片上的不同Si₃N₄薄膜区域进行对比实验，从而提高比对实验的精确度并节省时间。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对液体注入装置进行清洗，所述液体注入装置包括注射器以及吸液针头；

(2)把一Peek管的一端与一中空玻璃针管的一端连接，所述中空玻璃针管的另一端为一呈锥形状的针尖；

(3)把所述中空玻璃针管固定到微操作手上，并使所述中空玻璃针管的所述针尖朝下；

(4)用安装有所述吸液针头的所述注射器吸取经超声分散后的纳米材料液体样品；

(5)从所述注射器上卸下所述吸液针头，并把所述Peek管的另一端与所述注射器连接；

(6)将原位加热芯片放置于显微镜的载物台上，然后在显微镜下，利用微操作手把所述中空玻璃针管移动到所述针尖与所述原位加热芯片对正；

(7)在显微镜下，利用微操作手把所述中空玻璃针管移动到所述针尖与所述原位加热芯片上所要加样的Si₃N₄薄膜对应的位置；

(8)通过注射器把纳米材料液体沿Peek管注入到所述中空玻璃针管，然后使所述中空玻璃针管中的液体经所述针尖分散到所要加样的Si₃N₄薄膜上。

2.根据权利要求1所述的纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，其特征在于，液体注入装置还包括转换头、套圈以及螺母，所述注射器通过所述转换头、所述套圈以及所述螺母与所述Peek管的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，其特征在于，把所述液体注入装置的所有部件放入带有蒸馏水的烧杯中，然后一并放入到超声波清洗仪中清洗。

4.根据权利要求1所述的纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，其特征在于，所述中空玻璃针管的所述针尖的最小端的内径为3～8μm，且所述针尖的最大端的内径为600μm。

5.根据权利要求1所述的纳米材料的透射电镜原位加热芯片的制样方法，其特征在于，所述中空玻璃针管由中空的玻璃毛细管制作而成；所述中空玻璃针管的制备方法为：将中空毛细玻璃管设置于拉针仪上，拉针仪在工作温度为580～650℃的情况下，对中空毛细玻璃管采用应力牵引的方法来获得所述中空玻璃针管。