包括多孔金屬箔的電子顯微鏡樣品支架的制作方法
【專利說明】包括多孔金屬箔的電子顯微鏡樣品支架 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電子顯微鏡樣品支架；一種制造此類電子顯微鏡樣品支架的方 法;一種使用此類電子顯微鏡樣品支架成像的方法和一種可操作用于進(jìn)行此類成像方法的 設(shè)備。
[0002] 罝量
[0003] 可以將電子顯微鏡技術(shù)用以樣品成像。根據(jù)此類技術(shù)，將電子束用以"照射"樣品。 樣品在電子束中的存在導(dǎo)致電子束的變化?？梢詸z查由樣品導(dǎo)致的電子束的變化以產(chǎn)生樣 品的放大的圖像。
[0004] 為了通過電子束照射，必須將樣品恰當(dāng)支撐在所述束中。通常形成電子束的電子 具有高的能量，并且要理解的是，在電子束內(nèi)將目標(biāo)物(例如用于檢查的樣品）與保持樣品 在適當(dāng)位置的支架一起轟擊可能導(dǎo)致支架和/或樣品的物理、化學(xué)和/或電變化。這種變化 可能影響通過使用電子顯微鏡技術(shù)得到的結(jié)果，包括圖像分辨率。
[0005] 期望提供一種用于電子顯微鏡技術(shù)中的樣品支架，所述支架可以解決一些已知樣 品支架的特征。
[0006] 概述
[0007] 因此，第一方面提供一種電子顯微鏡樣品支架，所述電子顯微鏡樣品支架包括:支 架部件;和包括多孔區(qū)域的金屬箱;所述支架部件被配置成提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性給所述金屬箱， 并且所述金屬箱的所述多孔區(qū)域被配置成接收電子顯微鏡樣品。
[0008] 第一方面認(rèn)為，包括例如納米級(jí)粒子的樣品的電子顯微圖像中的信息內(nèi)容可以由 以下各項(xiàng)限定:單獨(dú)的粒子的電子束誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)；由電子束和/或樣品支架(例如碳基底)的 化學(xué)變化誘導(dǎo)的樣品上的電荷積累。在圖1至3中示意性說明這種現(xiàn)象。
[0009]以上描述的現(xiàn)象可能是與電子低溫顯微鏡特別相關(guān)的，電子低溫顯微鏡也被稱為 低溫電子顯微鏡，其中使用透射電子顯微鏡在低溫下研究樣品。電子低溫顯微鏡技術(shù)可能 特別有用于冷凍的、與水結(jié)合的生物學(xué)樣品的研究。作為例如先前提到的那些現(xiàn)象之類的 現(xiàn)象的結(jié)果，信息內(nèi)容的損失可能限制由電子低溫顯微鏡收集的涉及此類冷凍的水合的生 物學(xué)樣品(特別涉及此類樣品的圖像的3D重建)的圖像的分辨率。作為可獲得的受限信息的 結(jié)果，已知的技術(shù)對(duì)單獨(dú)的粒子的角取向的精確度施加限制，使得不能可靠地使更小的粒 子，例如那些小于~500kDa的粒子。
[0010]第一方面認(rèn)為，在電子顯微鏡中金屬柵格支架的使用是已知的并且多孔碳膜的使 用是已知的同時(shí)，支撐樣品用于分析的精細(xì)多孔金屬箱的使用可以具有優(yōu)點(diǎn)，盡管在第一 個(gè)實(shí)例中看來是可能有損于所得圖像的結(jié)構(gòu)。具體地，可以認(rèn)為將樣品放置在提供于金屬 箱中的孔(hole)的區(qū)域中將導(dǎo)致更差的圖像，因?yàn)榻饘傧鋵?duì)于電子束是不透明的并且可能 導(dǎo)致對(duì)入射電子束的不當(dāng)干涉。結(jié)果，典型地已經(jīng)使用多孔碳基底，那些基底被例如金屬柵 格支撐，金屬柵格可操作以增加力學(xué)穩(wěn)定性給樣品支架并如所需的將電子從樣品"傳導(dǎo)"離 開。
[0011]根據(jù)第一方面的樣品支架包括金屬箱，所述金屬箱具有這樣的性質(zhì)：選擇所述性 質(zhì)以允許其提供例如足夠的二次電子給位于金屬箱中小孔(pore)區(qū)域的樣品，條件是金屬 箱在入射電子束內(nèi)被正確地對(duì)齊。這種二次電子可以隨后將暴露給入射電子束期間積累在 樣品中的正電荷中和。適當(dāng)?shù)剡x擇的金屬的電子產(chǎn)率可能起到將由箱的小孔區(qū)域中的樣本 (sample)或樣品（specimen)經(jīng)歷的充電效應(yīng)最小化的作用。此外，可以選擇金屬使得其在 電子束的存在下是基本上惰性和不反應(yīng)的。適當(dāng)選擇的金屬的不反應(yīng)的性質(zhì)可以使箱的力 學(xué)變形最小化。
[0012]盡管措辭金屬已被用于描述第一方面的多孔箱，但是要理解的是，也可以使用具 有以下進(jìn)一步列出的實(shí)質(zhì)上金屬性質(zhì)的材料，例如適當(dāng)選擇的半導(dǎo)體材料。通常可以認(rèn)為 金屬是具有大于10e21/cm3的自由載流子濃度的任何材料。
[0013] 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱被布置成與支架部件歐姆接觸。換句話說，金屬箱和支 架部件之間的接觸起著非整流結(jié)(non-rectifying junction)的作用，從而允許箱之間的 任何自由電子到支架的移動(dòng)的不拘束，并且改善可以導(dǎo)致作為支架暴露給電子束的結(jié)果的 充電效應(yīng)。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱包括金屬，所述金屬具有大比例的不緊密結(jié)合到材料 中任何特定原子的可移動(dòng)的電子。這種材料比典型的無定形碳更有傳導(dǎo)性。也就是說，在一 些實(shí)施方案中，金屬可以包括高傳導(dǎo)性金屬。因此，用于箱的高傳導(dǎo)性金屬的供應(yīng)允許電子 在箱內(nèi)相對(duì)自由的移動(dòng)，其可以改善可以導(dǎo)致作為支架暴露給電子束的結(jié)果的電荷效應(yīng)。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱包括這樣的金屬:對(duì)于在所述箱上的電子入射而言，所 述金屬具有高總產(chǎn)率的由箱發(fā)射的電子。從而，暴露于高能電子束可以允許可以落在樣品 或樣本區(qū)域上的電子的產(chǎn)生，因此改善可以導(dǎo)致作為支架暴露給電子束的結(jié)果的電荷效 應(yīng)。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱包括具有高力學(xué)穩(wěn)定性的金屬。金屬箱可以包括在所 選擇的厚度具有一定力學(xué)強(qiáng)度的金屬，所述一定力學(xué)強(qiáng)度足以將在暴露到入射電子束期間 樣品的運(yùn)動(dòng)減少到小于所得圖像需要的空間分辨率的倒數(shù)。從而，箱可以配置為當(dāng)延伸穿 過支架部件時(shí)是自支撐的。如果被選擇以具有合適的楊氏模量，則金屬箱可以是支架部件 側(cè)面之間橫向跨度的強(qiáng)度相對(duì)較大的，盡管其本來是相對(duì)薄的。此外，通過選擇具有合適力 學(xué)穩(wěn)定性的箱材料，可以解決任何由化學(xué)變化或電荷失衡導(dǎo)致的多孔金屬箱的力學(xué)變形的 影響。也就是說，材料越硬，電荷失衡越不可能導(dǎo)致箱的物理翹曲。改善物理翹曲可以有助 于改善樣品顯微圖像中由移動(dòng)導(dǎo)致的模糊。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱包括非反應(yīng)性金屬。從而，暴露到高能電子束可以造成 金屬箱中更少的化學(xué)變化，并且因而可以改善任何由化學(xué)變化導(dǎo)致的多孔金屬箱的力學(xué)變 形的影響。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱包括與生物學(xué)電子顯微鏡樣品相容的金屬。從而，材料 的選擇可以是使得與樣品的反應(yīng)最小化。具體地，在一些實(shí)施方案中，可以選擇金屬箱以顯 示很少的與生物學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱包括以下各項(xiàng)中的至少一種:金、鉑、鈀、鉿或銠的金屬 箱。從而，可以選擇此類物質(zhì)和相似的物質(zhì)，因?yàn)樗鼈兙哂泻线m的:粒徑尺寸，是非氧化物形 式，具有所需的楊氏模量、二次電子產(chǎn)率或其他類似的期望的和/或可調(diào)的性質(zhì)。
[0020] 在一些實(shí)施方案中，金屬箱中單獨(dú)小孔的尺寸被確定為使得它們與要被電子顯微 鏡的入射電子束詢問（interrogated)的區(qū)域是相當(dāng)。從而，電子顯微鏡束可以是可操作的 以觀察單個(gè)小孔的全部。在一些實(shí)施方案中，確定每個(gè)小孔或小孔的尺寸以允許在單個(gè)的 小孔中同時(shí)成像多個(gè)感興趣的電子顯微鏡樣品。在一些實(shí)施方案中，確定每個(gè)小孔的尺寸 小于入射電子顯微鏡電子束的尺寸。從而，入射束可以被布置成覆蓋放置在孔中的樣品，并 延伸到孔或小孔周圍的金屬箱區(qū)域上，或與孔或小孔周圍的金屬箱區(qū)域重疊。束在金屬箱 上的重疊可以有助于確保由二次電子產(chǎn)生的作為在箱上的入射電子束的結(jié)果的樣品的均 勻電荷平衡。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱的多孔區(qū)域包括包含多個(gè)孔的金屬層。多孔區(qū)域可 以延伸穿過基本上所有被支架部件保持在適當(dāng)位置的金屬箱。在一些實(shí)施方案中，僅箱的 區(qū)域可以包括孔。這些孔可以規(guī)則地或不規(guī)則地布置在多孔區(qū)域中。在一些實(shí)施方案中，這 些孔可以是基本上尺寸均勻的。在一些實(shí)施方案中，孔的尺寸可以在箱的橫向上變化。也就 是說，可以在金屬箱上提供多個(gè)多孔區(qū)域，每個(gè)多孔區(qū)域具有不同的小孔尺寸。備選地，可 以在金屬膜的多孔區(qū)域的橫向上提供不同尺寸的孔。從而，可以在單個(gè)柵格上測(cè)試大量條 件。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方案中，孔的尺寸被定制為接收至少一個(gè)電子顯微鏡樣品。從而，當(dāng)照 射由支架保持在適當(dāng)位置的樣品時(shí)，通過詢問的電子束可以看到至少一個(gè)樣品。也就是說， 在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱的厚度被選擇為至少是電子顯微鏡樣品的最小尺寸。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施方案中，支架部件包括基本上環(huán)形的元件。其環(huán)面的橫截面形狀可以 例如是基本上圓形、橢圓形、矩形或三角形。從而，金屬箱可以延伸穿過所述環(huán)形元件。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施方案中，支架部件包括多個(gè)隔開的支架元件。在一個(gè)實(shí)施方案中，多個(gè) 隔開的支架元件被布置成形成網(wǎng)。從而支架部件可以包括支撐柵格狀結(jié)構(gòu)的環(huán)狀元件。隨 后該柵格狀結(jié)構(gòu)可以在鄰近的網(wǎng)元件之間支撐金屬箱。這種柵格可以提供額外的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 性給金屬箱。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬箱的多孔區(qū)域被布置成延伸穿過網(wǎng)的區(qū)域。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施方案中，支架部件和支架元件包括金屬。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬包括 以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)：金、鉑、鈀或鉿。從而，支架可以是金屬或具有金屬性質(zhì)，可以選擇 金屬性質(zhì)以最小化支架結(jié)構(gòu)暴露到高能電子束時(shí)可能發(fā)生的充電、化學(xué)和/或其他類似的 運(yùn)動(dòng)-誘導(dǎo)的過程。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施方案中，支架部件、支架元件和金屬箱全部由相同的金屬形成。從而， 形成樣品支架的主要成分由具有基本上相同的熱膨脹系數(shù)(TEC)的材料形成。作為結(jié)果，可 以減輕在金屬箱中引起的應(yīng)力、應(yīng)變、拉伸或撕裂，當(dāng)通過溫度變化引起這些變化時(shí)，例如 其經(jīng)歷當(dāng)將樣品支架降溫至例如液氮溫度時(shí)。如果構(gòu)