電子顯微學(xué)專業(yè)課的透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課

馬秀梅

（北京大學(xué)物理學(xué)院電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室，北京100871）

0 引 言

電子顯微學(xué)是一門探索電子與固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相互作用的科學(xué)［1］。它是利用電子顯微鏡來研究物質(zhì)的顯微組織、成分和晶體結(jié)構(gòu)的綜合性學(xué)科，該學(xué)科技術(shù)性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛。近年來，伴隨著新一代球差校正器、單色器在電子顯微鏡上的應(yīng)用，以及原位樣品臺(tái)（如：高低溫、氣氛、液體環(huán)境、電學(xué)、力學(xué)性能測量等）的不斷發(fā)展，再結(jié)合電子三維重構(gòu)、X射線能譜、電子能量損失譜等分析技術(shù)，電子顯微學(xué)在揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)及其演化方面展示出更高的空間分辨和能量分辨能力［2］。目前，電子顯微學(xué)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了包括材料、物理、化學(xué)、信息、生物、醫(yī)學(xué)等在內(nèi)的幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域，電子顯微學(xué)技術(shù)在科學(xué)研究和應(yīng)用中的作用和地位越來越重要。因此，很多理工科高校都開設(shè)有電子顯微學(xué)相關(guān)的課程，不斷提高電子顯微學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量則具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。電子顯微學(xué)這門課程包含的一個(gè)重要組成部分就是透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡）及其樣品制備，而透射電鏡應(yīng)用的深度和廣度在一定程度上取決于樣品制備技術(shù)。透射電鏡樣品制備過程復(fù)雜、操作步驟繁多、專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)要求高。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，在電子顯微學(xué)專業(yè)課學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)進(jìn)行透射電鏡樣品制備的實(shí)踐教學(xué)是尤為重要的。

我校電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室成立于1964年，是第一個(gè)校級(jí)公共平臺(tái)，擁有透射電鏡、掃描電鏡及電鏡樣品制備配套設(shè)備等多臺(tái)大型精密儀器，并于2016年和2017年安裝了兩臺(tái)國際領(lǐng)先的球差校正透射電鏡，分別是FEI Titan Themis雙球差校正透射電鏡和Nion UHERMES200型單色儀球差校正透射電鏡。另外，為了能夠制備更好的透射電鏡樣品，滿足球差校正透射電鏡的制樣需求，電鏡室也采購了新型的透射電鏡樣品制備儀器。這些大型儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)精密，價(jià)格昂貴，專業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)性高，在進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)時(shí)能夠開闊學(xué)生的視野，并能夠增加學(xué)生對(duì)于電子顯微學(xué)理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。但是，大多數(shù)電子顯微學(xué)專業(yè)課的實(shí)踐教學(xué)都集中在透射電鏡的操作技術(shù)上，而對(duì)于透射電鏡樣品制備技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)較少，重視程度不夠。筆者在近幾年的實(shí)踐教學(xué)過程中，更加體會(huì)到了透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課的重要性，探討總結(jié)透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課的教學(xué)方法，以期提高透射電鏡的測試水平與樣品檢測效果。

1 電子顯微學(xué)課程特點(diǎn)

電子顯微學(xué)課程在高校里主要是面向研究生開設(shè)的，這門課程的教學(xué)目標(biāo)不僅使學(xué)生初步掌握電子顯微分析的基本原理，而且能夠正確地運(yùn)用電子顯微技術(shù)和方法開展有關(guān)的科學(xué)研究［3］。該課程包含的理論知識(shí)眾多，比如：電子光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、透射電鏡構(gòu)造及樣品制備、電子衍射、電子衍射襯度成像、高分辨透射電子顯微術(shù)、掃描電子顯微鏡以及其他的電子顯微分析方法等［4］，這些內(nèi)容都比較抽象，理論性強(qiáng)且技術(shù)要求高。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電子顯微學(xué)技術(shù)的發(fā)展和更新速度也非?？?。近年來，發(fā)展了一系列的新型電子顯微學(xué)成像技術(shù)，比如：球差校正環(huán)形明場掃描透射電子顯微成像技術(shù)（ABF-STEM）［5-7］、單原子分辨率的低電壓球差校正掃描透射電子顯微學(xué)定量成像分析技術(shù)［8］、能量過濾透射電子顯微學(xué)技術(shù)［9-11］，以及針對(duì)不同類型樣品發(fā)展的新型透射電鏡樣品制備技術(shù)［12-14］等，這些新技術(shù)在表征新型材料（比如鋰離子電池材料、石墨烯、氮化硼等）的微觀結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、反應(yīng)機(jī)理等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。因此，電子顯微學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)該隨著成像技術(shù)的不斷更新而更新，使學(xué)生們能夠拓展電子顯微學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題，不斷開闊科研視野。

電子顯微學(xué)課程在課堂上講解抽象的原理知識(shí)的同時(shí)，更主要的是向?qū)W生們講授一種科研方法、一種應(yīng)用技術(shù)，期望學(xué)生們是為用而學(xué)、學(xué)以致用，希望通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠了解電子顯微學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，以便于選擇恰當(dāng)?shù)难芯糠椒▉斫鉀Q科研過程中遇到的實(shí)際問題，從而能夠?qū)蒲泄ぷ鞯拈_展有所幫助。當(dāng)然，想要完全掌握這些實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，還需要做到課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密有效結(jié)合。這樣，學(xué)生們?cè)谡莆赵鷮?shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，又可以掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法，從而培養(yǎng)全面發(fā)展的科研人才。因此，電子顯微學(xué)課程的教學(xué)對(duì)于相關(guān)專業(yè)研究生的培養(yǎng)具有非常重要的作用。

2 透射電鏡及其樣品制備簡介

透射電鏡是利用穿透樣品的電子束成像，能夠以原子尺度的分辨能力，提供材料的顯微組織、結(jié)構(gòu)、成分等方面的信息，其在現(xiàn)代科學(xué)、工程技術(shù)以及生物醫(yī)用等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用［15］。透射電鏡分辨率高，可以得到的實(shí)驗(yàn)信息豐富，比如：微觀形貌、尺寸、取向分布、結(jié)構(gòu)缺陷、相組成、微區(qū)成分、電子結(jié)構(gòu)、價(jià)鍵等信息，因此透射電鏡已經(jīng)成為大部分科研單位不可缺少的顯微分析表征設(shè)備［16］。但是，透射電鏡的應(yīng)用也有一些局限性，其中之一便是樣品制備繁瑣。這是由于透射電鏡樣品桿一般只能放入直徑3 mm的圓形樣品，而且由于電子束能夠穿透樣品的深度有限，因此要求樣品對(duì)于電子束是“透明”的，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在100 nm以下為宜，這給透射電鏡樣品制備帶來一定的困難。

透射電鏡樣品制備方法很多［17-18］，主要包括：表面復(fù)型技術(shù)、粉末法、化學(xué)腐蝕法、電解減薄法、超薄切片法、解理法、粉碎研磨法、聚焦離子束法、離子減薄法、真空蒸涂法、冷凍制樣法等。而透射電鏡樣品制備方法的選擇，主要取決于樣品類型和所要獲取的信息。通常來說，不同類型的樣品，如粉末樣品、塊體樣品、薄膜樣品、生物醫(yī)學(xué)樣品等，會(huì)選擇不同的樣品制備方法。透射電鏡樣品制備是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，制樣花費(fèi)時(shí)間長，有時(shí)甚至超過整個(gè)透射電鏡研究工作量的一半以上。制備得到的透射電鏡樣品必須具有代表性，能夠真實(shí)地反映材料的特征。隨著電子顯微學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)透射電鏡樣品制備技術(shù)提出了更高的要求，比如：樣品薄區(qū)更薄、更均勻，薄區(qū)面積更大，對(duì)樣品的損傷更小，樣品制備時(shí)間更短、精確度更高、成品率更高等。透射電鏡樣品制備技術(shù)是隨著電子顯微學(xué)的發(fā)展而不斷發(fā)展的，近年來涌現(xiàn)出了一些透射電鏡樣品制備的新儀器（如：離子切片儀、納米減薄儀）和新技術(shù)（如：多種制樣方法相結(jié)合），其對(duì)于材料的電子顯微學(xué)研究起著至關(guān)重要的作用。

3 透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課

透射電鏡樣品制備過程繁瑣，技術(shù)要求高，而且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但是，在電子顯微學(xué)專業(yè)課中占據(jù)課時(shí)很少，而僅通過在電子顯微學(xué)課程的課堂上講解，學(xué)生們不僅不能深刻理解，而且也不能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。實(shí)習(xí)課在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中具有重要作用，在實(shí)習(xí)課中學(xué)生可以將所學(xué)的理論知識(shí)加以應(yīng)用，加深對(duì)理論知識(shí)的理解掌握［19］。筆者根據(jù)近幾年的實(shí)習(xí)課教學(xué)，深刻體會(huì)到透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課在電子顯微學(xué)課程中的重要性。

透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課在我校電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室的樣品制備間進(jìn)行，樣品制備間配備透射電鏡樣品制備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)用品和儀器設(shè)備，整齊合理布置。但是，由于實(shí)驗(yàn)室場地及實(shí)驗(yàn)工具有限，故需要將實(shí)習(xí)學(xué)生進(jìn)行分組，一般每組6人左右，每節(jié)課1 h。這樣每個(gè)學(xué)生都可以親自動(dòng)手操作，可以“科學(xué)、規(guī)范、安全、高效”地開展透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)，能夠充分體會(huì)并深入了解透射電鏡樣品的制備過程。同時(shí)，老師也可以與學(xué)生進(jìn)行充分交流互動(dòng)，了解每位學(xué)生主要的科研方向，以便于選擇介紹更加相關(guān)的樣品制備知識(shí)，這樣就能夠提高教學(xué)的實(shí)用性和生動(dòng)靈活性，使學(xué)生們更加感興趣，做到真正的學(xué)以致用。

透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課主要包括講解示范、學(xué)生操作、巡回指導(dǎo)、實(shí)習(xí)總結(jié)4個(gè)環(huán)節(jié)。①講解示范，首先向?qū)W生介紹透射電鏡樣品制備的原因、重要性以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；之后，介紹本實(shí)驗(yàn)室透射電鏡樣品制備的常用儀器及安全注意事項(xiàng)；另外，親自操作示范透射電鏡平面樣品的制樣步驟。這樣通過在實(shí)驗(yàn)室的講解示范，對(duì)于課堂上一些比較陌生且難以理解的理論知識(shí)就會(huì)變得簡單易懂，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。②學(xué)生操作，讓學(xué)生自己獨(dú)立動(dòng)手操作，練習(xí)透射電鏡平面樣品的制備，這樣能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)獨(dú)立操作能力，使學(xué)生掌握正確的操作技能并提高操作熟練程度。③巡回指導(dǎo)，在學(xué)生操作過程中，老師不斷巡回指導(dǎo)，及時(shí)糾正學(xué)生的操作錯(cuò)誤，并與學(xué)生進(jìn)行有效溝通，回答學(xué)生提出的相關(guān)問題，這樣能夠培養(yǎng)學(xué)生積極思考、解決問題的能力。④實(shí)習(xí)總結(jié)，實(shí)習(xí)課結(jié)束后，學(xué)生需及時(shí)進(jìn)行總結(jié)，寫出實(shí)習(xí)報(bào)告，這樣達(dá)到鞏固知識(shí)的效果。透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課4個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)踐教學(xué)模式得到了學(xué)生的好評(píng)，取得了良好的教學(xué)效果。

透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課的意義在于，實(shí)習(xí)課的教學(xué)注重將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際操作中，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的求知欲，提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生積極思考、解決問題的能力，使學(xué)生們能夠掌握正確規(guī)范的實(shí)驗(yàn)技能，有助于日后科研工作的開展，做到了教學(xué)與科研的有效結(jié)合。

4 結(jié) 語

透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課的開設(shè)做到了課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密結(jié)合，不但有助于提高電子顯微學(xué)專業(yè)課的教學(xué)質(zhì)量，而且有助于培養(yǎng)高水平的科研人才。而透射電鏡樣品制備實(shí)習(xí)課的開設(shè)，也需要不斷探索及創(chuàng)新，以期取得更好的教學(xué)效果。