校級公共平臺透射電子顯微鏡用戶入門培訓方式探索

梁超倫，劉 林

(1.中山大學 測試中心，廣東 廣州 510275; 2.中山大學 電子與信息工程學院, 廣東 廣州 510275)

透射電子顯微鏡(TEM)是一種多功能的電子束成像分析儀器.利用TEM的表征技術(shù)，能夠獲得物質(zhì)的微觀形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學成分及化學環(huán)境等信息，是理解物質(zhì)理化性能和微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的一個最直觀、最重要的綜合分析手段[1-2].TEM作為一門交叉學科，涵蓋了化學、物理學、材料學、晶體學、生物醫(yī)學、地質(zhì)等學科[3]，適用范圍廣，測試需求量大.然而，TEM是高真空下的電子束成像分析大型儀器，其價值高、構(gòu)造精密、操作復雜、維護維修成本較高，使用者一般需經(jīng)過較長時間的理論和操作培訓才可自主操作，開放共享效率受到高的操作技術(shù)性和長周期的培訓限制.另一方面，TEM測試作為一種過程性試驗，需要充分發(fā)揮操作者的主觀能動性.具備自主操作能力的用戶需對自身樣品熟悉，對測試內(nèi)容和表征方案明確，在測試中能精準定位分析所需觀察的區(qū)域，在操作過程中可以高效獲取樣品的結(jié)構(gòu)信息，能從TEM測試中最大程度地獲得有效反饋，有助于促進其應用和研究水平.因此，在確保儀器完好率，保障各項功能正常運作的前提下，探索一種高效簡便的操作培訓方式，規(guī)范有序地進行用戶自主操作培訓，增加自主操作用戶數(shù)量并擴大自主操作范圍，是加強公共平臺TEM的開放共享程度、充分發(fā)揮儀器的測試功能、滿足用戶的分析測試實際需要的重要途徑.

1 TEM常規(guī)培訓方式

TEM是技術(shù)難度和精細程度最高的儀器之一，需要調(diào)節(jié)的試驗條件以及控制按鈕多，對操作人員的實驗技能和分析能力要求較高.常規(guī)培訓方式是基于電子顯微學理論及具體儀器規(guī)范化的操作步驟，進行基礎(chǔ)理論課堂講授、專題講座報告、操作演示及實操培訓.以日本電子JEM 2010HR TEM的實操培訓為例，首先進行“自上而下”的電子光路合軸調(diào)節(jié)，繼而觀察并拍攝[4].如圖1所示，基本操作有以下主要步驟：電子槍的平移和傾斜調(diào)節(jié)、聚光鏡光闌對中、聚光鏡像散消除、共心高度調(diào)節(jié)、電壓中心調(diào)節(jié)、物鏡象散消除、物鏡光闌對中、中間鏡及投影鏡合軸、中間鏡象散消除等[5].根據(jù)以往暑期對用戶進行集中培訓的經(jīng)驗，整套光路合軸對中調(diào)節(jié)，每名用戶至少需要40 h以上的操作經(jīng)驗方可掌握.對于普通用戶而言，較長的培訓周期限制了儀器的使用率和開放共享程度.此外，全套電子光路合軸培訓將會增加硬件損傷的概率.如光闌的機械對中及樣品桿的插入和拔出，若操作不當將會影響TEM的性能和壽命.

2 TEM快速培訓方式

通過簡便有效的快速培訓增加自主操作用戶數(shù)量是有效提升測試機時的重要手段，對解決大量測試需求至關(guān)重要.針對常規(guī)培訓周期長的不足，我們總結(jié)以往日本電子和FEI透射電子顯微鏡的培訓經(jīng)驗，將常規(guī)培訓體系劃分為快速入門培訓、進階培訓和高級培訓.入門培訓主要面向初步接觸TEM的用戶，滿足其形貌觀察的需求，并為進階及高級培訓奠定基礎(chǔ).進階培訓主要授以高分辨成像及能譜分析操作技術(shù).高級培訓針對有長期TEM測試需求的用戶，提供完整的電鏡光路合軸、交換樣品、常見故障排查等培訓.

快速入門培訓的目標是使用戶掌握形貌拍攝的基本操作技術(shù)，重點培訓高頻操作技巧及實際使用方式(如圖2所示).在實驗技術(shù)人員調(diào)節(jié)好電子槍對中、聚光鏡系統(tǒng)合軸和電壓中心后，用戶掌握三項核心基礎(chǔ)操作便可進行形貌觀察和拍攝.

圖2 透射電鏡形貌觀察入門操作流程

(1)調(diào)節(jié)物鏡標準電流值和共心高度.首先，在約5萬倍放大倍數(shù)下，把物鏡調(diào)至共心高度聚焦值(物鏡電流默認值).調(diào)節(jié)第二聚光鏡使電子束會聚于非晶碳膜表面，調(diào)節(jié)Z軸高度，使電子束暈斑消失.或者使用α-Wobbler，調(diào)節(jié)Z軸使樣品不隨樣品臺的搖擺而抖動.然后調(diào)節(jié)電子束會聚/發(fā)射和電子束平移，達到平行束入射的照明條件，微調(diào)Z軸使圖像正焦.

(2)增大欠焦量，尋找感興趣區(qū)域.在標準聚焦值下調(diào)節(jié)好共心高度，這時候像襯度低，在200、300 kV下，肉眼難以分辨熒光屏上的樣品襯度，尤其是低原子序數(shù)樣品.提高像襯度的常規(guī)方法是加入物鏡光闌.但該操作需要對物鏡光闌進行機械合軸，對初級用戶而言操作技術(shù)難度相對較高，若調(diào)節(jié)不當輕則影響光路，重則引起硬件受損，儀器加速老化.因此，在入門操作中，通過增加欠焦量的方式提高像襯度.將物鏡欠焦量defocus調(diào)節(jié)至-5 μm左右，樣品襯度特征明顯，便于操作者尋找及定位感興趣區(qū)域，但是，在該離焦條件下，損失了部分圖像分辨率，在后續(xù)操作中需離焦值歸零并精細調(diào)焦.

(3)欠焦量歸零，使用charge coupled device(CCD)相機在電腦屏幕上精確調(diào)焦及拍攝.將欠焦量恢復至標準聚焦值，通過Z軸微調(diào)至樣品襯度最弱后可直接使用CCD成像.此時焦距處于正焦附近，通過“欠焦-正焦-過焦”過程的菲涅爾條紋變化能有效地調(diào)節(jié)和判斷焦距，精細調(diào)焦后便可獲取高質(zhì)量的形貌成像和部分樣品的高分辨成像.

TEM形貌觀察的基本操作中，常常需要定位感興趣區(qū)域并調(diào)焦.使用離焦的方式提高襯度尋找樣品，避免了機械調(diào)節(jié)物鏡光闌，降低了操作難度及人為故障率.以標準聚焦值和共心高度作參考，初學者不會因離焦過多而無法把握聚焦方向和焦距.經(jīng)30 min培訓后，大部分用戶均可順利進行基本形貌觀察和拍攝.

培訓過程中，實驗技術(shù)人員全過程指導監(jiān)督，講解操作技巧及深化儀器原理.學員操作時，及時糾錯，給予有效正反饋.上機操作之余，通過系列講座講解成像原理、衍襯理論及晶體學理論，制作操作流程和實操短視頻，為學員提供培訓后的學習資源，鞏固強化培訓成果.入門培訓學員積累操作機時滿10 h，須參加理論筆試并使用盲樣進行實操考核，考核合格的用戶方可自主操作.為確保圖片數(shù)據(jù)質(zhì)量，工作日時間由實驗技術(shù)人員從旁監(jiān)控TEM實際運行狀態(tài)并適時調(diào)整光路合軸.對于非工作時間產(chǎn)出的圖像數(shù)據(jù)，實驗技術(shù)人員離線檢查圖像欠焦量、象散及強度直方圖等參數(shù)，對圖片質(zhì)量詳細評價并反饋用戶，指導其優(yōu)化成像條件.通過培訓前教案準備、培訓流程嚴格把控、培訓后考試考核并查缺補漏，既保證透射電鏡的測試質(zhì)量，使用戶獲得理想的圖片數(shù)據(jù)，又培養(yǎng)用戶獨立使用科研工具，促進用戶電子顯微學技術(shù)的應用和研究水平[6].

快速入門培訓方式突出實用性，培訓時長與用戶的測試需求相匹配，有效縮短了培訓周期，增加了自主操作用戶數(shù)量，提升了TEM共享開放機時.我中心每年培訓師生約40人，近5年共有12人獲得高級用戶資格.中心現(xiàn)有三臺TEM的開放機時拓展至午間、晚間以及部分周末.與開展快速入門培訓前相比，日均開放機時數(shù)提升約36%.綜上所述，快速入門培訓為用戶提供了自主上機操作機會，用戶積累了操作機時和經(jīng)驗，在使用TEM過程中發(fā)揮主觀能動性，由被動接受測試結(jié)果向主動獲取轉(zhuǎn)變，起到科研人員的主導作用，既實現(xiàn)了TEM共享開放，又有利于高質(zhì)量人才培養(yǎng)[6].

需要指出的是，快速入門培訓并不能代替由常規(guī)培訓所獲得的電子光路合軸和表征技術(shù)原理專業(yè)知識.為提升開放度和保證測試質(zhì)量，在完成形貌觀察的入門培訓流程后，需根據(jù)使用者的機時積累、使用情況及理論考核水平[7]，循序漸進地加入更換樣品、電子衍射拍攝、高分辨像拍攝、掃描透射分析、能譜分析和電鏡合軸等進階操作.進階用戶經(jīng)實際操作考核合格后，可申請非工作時段的自主操作測試.將快速培訓與分層次、分權(quán)限開放使用相結(jié)合，方可達到有效利用機時資源、提升透射電鏡使用率的目的[8-9].

3 結(jié)語

近年來，隨著電子顯微技術(shù)的發(fā)展，TEM越來越受到科研人員的重視，用途日益廣泛.高校公共平臺的TEM樣品量日趨增多，測試量大.簡便有效的TEM入門培訓方式，為用戶提供了更多TEM的操作機會和機時積累，儀器的使用率和機時利用率得到有效提高，既發(fā)揮了TEM的測試功能，實現(xiàn)了有效的開放共享，又提高了用戶電子顯微學技術(shù)的應用和研究水平，為學?？蒲泄ぷ骱腿瞬排囵B(yǎng)提供支撐.