电子显微学专业课的透射电镜样品制备实习课

2021-01-28马秀梅

实验室研究与探索 2021年11期

马秀梅

（北京大学物理学院电子显微镜实验室，北京100871）

0 引言

电子显微学是一门探索电子与固态物质结构相互作用的科学［1］。它是利用电子显微镜来研究物质的显微组织、成分和晶体结构的综合性学科，该学科技术性强、应用广泛。近年来，伴随着新一代球差校正器、单色器在电子显微镜上的应用，以及原位样品台（如：高低温、气氛、液体环境、电学、力学性能测量等）的不断发展，再结合电子三维重构、X射线能谱、电子能量损失谱等分析技术，电子显微学在揭示材料的微观结构及其演化方面展示出更高的空间分辨和能量分辨能力［2］。目前，电子显微学技术的应用已经覆盖了包括材料、物理、化学、信息、生物、医学等在内的几乎所有的科学领域，电子显微学技术在科学研究和应用中的作用和地位越来越重要。因此，很多理工科高校都开设有电子显微学相关的课程，不断提高电子显微学课程的教学质量则具有非常重要的现实意义。电子显微学这门课程包含的一个重要组成部分就是透射电子显微镜（简称透射电镜）及其样品制备，而透射电镜应用的深度和广度在一定程度上取决于样品制备技术。透射电镜样品制备过程复杂、操作步骤繁多、专业性强、技术要求高。为了激发学生的学习积极性以及培养学生的实际动手操作能力，在电子显微学专业课学习理论知识的同时进行透射电镜样品制备的实践教学是尤为重要的。

我校电子显微镜实验室成立于1964年，是第一个校级公共平台，拥有透射电镜、扫描电镜及电镜样品制备配套设备等多台大型精密仪器，并于2016年和2017年安装了两台国际领先的球差校正透射电镜，分别是FEI Titan Themis双球差校正透射电镜和Nion UHERMES200型单色仪球差校正透射电镜。另外，为了能够制备更好的透射电镜样品，满足球差校正透射电镜的制样需求，电镜室也采购了新型的透射电镜样品制备仪器。这些大型仪器设备结构精密，价格昂贵，专业性强，技术性高，在进行实践教学时能够开阔学生的视野，并能够增加学生对于电子显微学理论知识的感性认识，提高学生的学习效率。但是，大多数电子显微学专业课的实践教学都集中在透射电镜的操作技术上，而对于透射电镜样品制备技术的实践教学较少，重视程度不够。笔者在近几年的实践教学过程中，更加体会到了透射电镜样品制备实习课的重要性，探讨总结透射电镜样品制备实习课的教学方法，以期提高透射电镜的测试水平与样品检测效果。

1 电子显微学课程特点

电子显微学课程在高校里主要是面向研究生开设的，这门课程的教学目标不仅使学生初步掌握电子显微分析的基本原理，而且能够正确地运用电子显微技术和方法开展有关的科学研究［3］。该课程包含的理论知识众多，比如：电子光学基础知识、透射电镜构造及样品制备、电子衍射、电子衍射衬度成像、高分辨透射电子显微术、扫描电子显微镜以及其他的电子显微分析方法等［4］，这些内容都比较抽象，理论性强且技术要求高。同时，随着科学技术的快速发展，电子显微学技术的发展和更新速度也非常快。近年来，发展了一系列的新型电子显微学成像技术，比如：球差校正环形明场扫描透射电子显微成像技术（ABF-STEM）［5-7］、单原子分辨率的低电压球差校正扫描透射电子显微学定量成像分析技术［8］、能量过滤透射电子显微学技术［9-11］，以及针对不同类型样品发展的新型透射电镜样品制备技术［12-14］等，这些新技术在表征新型材料（比如锂离子电池材料、石墨烯、氮化硼等）的微观结构、晶体缺陷、反应机理等方面发挥着举足轻重的作用。因此，电子显微学课程的教学内容也应该随着成像技术的不断更新而更新，使学生们能够拓展电子显微学领域的前沿科学问题，不断开阔科研视野。

电子显微学课程在课堂上讲解抽象的原理知识的同时，更主要的是向学生们讲授一种科研方法、一种应用技术，期望学生们是为用而学、学以致用，希望通过该课程的学习，能够了解电子显微学领域的最新进展，以便于选择恰当的研究方法来解决科研过程中遇到的实际问题，从而能够对科研工作的开展有所帮助。当然，想要完全掌握这些实际应用技术，还需要做到课堂教学与实验教学的紧密有效结合。这样，学生们在掌握扎实的基础理论知识的同时，又可以掌握先进的实验技术方法，从而培养全面发展的科研人才。因此，电子显微学课程的教学对于相关专业研究生的培养具有非常重要的作用。

2 透射电镜及其样品制备简介

透射电镜是利用穿透样品的电子束成像，能够以原子尺度的分辨能力，提供材料的显微组织、结构、成分等方面的信息，其在现代科学、工程技术以及生物医用等领域得到日益广泛的应用［15］。透射电镜分辨率高，可以得到的实验信息丰富，比如：微观形貌、尺寸、取向分布、结构缺陷、相组成、微区成分、电子结构、价键等信息，因此透射电镜已经成为大部分科研单位不可缺少的显微分析表征设备［16］。但是，透射电镜的应用也有一些局限性，其中之一便是样品制备繁琐。这是由于透射电镜样品杆一般只能放入直径3 mm的圆形样品，而且由于电子束能够穿透样品的深度有限，因此要求样品对于电子束是“透明”的，通常样品观察区域的厚度以控制在100 nm以下为宜，这给透射电镜样品制备带来一定的困难。

透射电镜样品制备方法很多［17-18］，主要包括：表面复型技术、粉末法、化学腐蚀法、电解减薄法、超薄切片法、解理法、粉碎研磨法、聚焦离子束法、离子减薄法、真空蒸涂法、冷冻制样法等。而透射电镜样品制备方法的选择，主要取决于样品类型和所要获取的信息。通常来说，不同类型的样品，如粉末样品、块体样品、薄膜样品、生物医学样品等，会选择不同的样品制备方法。透射电镜样品制备是一项复杂的技术，制样花费时间长，有时甚至超过整个透射电镜研究工作量的一半以上。制备得到的透射电镜样品必须具有代表性，能够真实地反映材料的特征。随着电子显微学的不断发展，对透射电镜样品制备技术提出了更高的要求，比如：样品薄区更薄、更均匀，薄区面积更大，对样品的损伤更小，样品制备时间更短、精确度更高、成品率更高等。透射电镜样品制备技术是随着电子显微学的发展而不断发展的，近年来涌现出了一些透射电镜样品制备的新仪器（如：离子切片仪、纳米减薄仪）和新技术（如：多种制样方法相结合），其对于材料的电子显微学研究起着至关重要的作用。

3 透射电镜样品制备实习课

透射电镜样品制备过程繁琐，技术要求高，而且应用领域广泛。但是，在电子显微学专业课中占据课时很少，而仅通过在电子显微学课程的课堂上讲解，学生们不仅不能深刻理解，而且也不能调动学生学习的积极性。实习课在学生的学习过程中具有重要作用，在实习课中学生可以将所学的理论知识加以应用，加深对理论知识的理解掌握［19］。笔者根据近几年的实习课教学，深刻体会到透射电镜样品制备实习课在电子显微学课程中的重要性。

透射电镜样品制备实习课在我校电子显微镜实验室的样品制备间进行，样品制备间配备透射电镜样品制备相关的实验用品和仪器设备，整齐合理布置。但是，由于实验室场地及实验工具有限，故需要将实习学生进行分组，一般每组6人左右，每节课1 h。这样每个学生都可以亲自动手操作，可以“科学、规范、安全、高效”地开展透射电镜样品制备实习，能够充分体会并深入了解透射电镜样品的制备过程。同时，老师也可以与学生进行充分交流互动，了解每位学生主要的科研方向，以便于选择介绍更加相关的样品制备知识，这样就能够提高教学的实用性和生动灵活性，使学生们更加感兴趣，做到真正的学以致用。

透射电镜样品制备实习课主要包括讲解示范、学生操作、巡回指导、实习总结4个环节。①讲解示范，首先向学生介绍透射电镜样品制备的原因、重要性以及实验目的；之后，介绍本实验室透射电镜样品制备的常用仪器及安全注意事项；另外，亲自操作示范透射电镜平面样品的制样步骤。这样通过在实验室的讲解示范，对于课堂上一些比较陌生且难以理解的理论知识就会变得简单易懂，提高了学生的学习效率。②学生操作，让学生自己独立动手操作，练习透射电镜平面样品的制备，这样能够调动学生的学习积极性，发挥主观能动性，培养独立操作能力，使学生掌握正确的操作技能并提高操作熟练程度。③巡回指导，在学生操作过程中，老师不断巡回指导，及时纠正学生的操作错误，并与学生进行有效沟通，回答学生提出的相关问题，这样能够培养学生积极思考、解决问题的能力。④实习总结，实习课结束后，学生需及时进行总结，写出实习报告，这样达到巩固知识的效果。透射电镜样品制备实习课4个环节的实践教学模式得到了学生的好评，取得了良好的教学效果。

透射电镜样品制备实习课的意义在于，实习课的教学注重将理论知识应用于实际操作中，调动了学生的求知欲，提高了学生的动手操作能力，培养学生积极思考、解决问题的能力，使学生们能够掌握正确规范的实验技能，有助于日后科研工作的开展，做到了教学与科研的有效结合。