透射電鏡原位樣品桿加熱芯片設(shè)計(jì)原理解析

引言

在上一篇文章《透射電鏡原位樣品桿加熱功能 4 大特性解析》里,，我們以 Wildfire 原位加熱桿為例,，為大家詳細(xì)介紹了 DENS 樣品桿加熱功能在控溫精準(zhǔn),、圖像穩(wěn)定,、高溫能譜、加熱均勻四個(gè)方面的具體表現(xiàn)。通過(guò)這篇文章,，相信大家對(duì) MEMS 芯片的優(yōu)良性能有更進(jìn)一步的了解。

 本文將以透射電鏡原位樣品桿加熱芯片的改變?yōu)槔?，與大家深入探討芯片加熱設(shè)計(jì)具體的變化細(xì)節(jié)。 

01. 加熱線圈的變化

1.1 線圈尺寸縮小,，“鼓脹”現(xiàn)象得到明顯抑制

圖 1：新款芯片

圖 2：舊款芯片

仔細(xì)觀察上圖中兩款芯片的加熱區(qū),，可以發(fā)現(xiàn)新款芯片的加熱線圈要明顯比舊款小很多。再觀察下面的特寫(xiě)視頻我們可以看到,，加熱線圈的形狀也有明顯變化,。新款的是圓形螺旋，舊款的是方形螺旋,。

線圈尺寸縮小后,，加熱功率減小，由加熱所導(dǎo)致的“鼓脹”現(xiàn)象也會(huì)得到抑制,。所謂“鼓脹”是指芯片受熱時(shí),，支撐膜在 Z 軸方向上的突起。在透射電鏡中原位觀察樣品時(shí),，支撐膜的突起會(huì)使得樣品脫離電子束焦點(diǎn),，導(dǎo)致圖像模糊，不得不重新調(diào)焦,；甚至有時(shí)會(huì)漂出視野,，再也找不到樣品。這樣一來(lái),，就會(huì)錯(cuò)失原位變溫過(guò)程中那些瞬息即逝的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,。

1.2 加熱時(shí)紅外輻射減少

尺寸縮小、加熱功率減小,，所帶來(lái)的另一個(gè)好處就是加熱時(shí)紅外輻射減少,，從而對(duì)能譜分析的干擾就會(huì)降低。這意味著即便在更高溫度下,，依然能夠進(jìn)行穩(wěn)定可靠的能譜分析,。

圖 3：使用新款芯片時(shí),，鉑/鈀納米顆粒在高溫下的能譜結(jié)果,。

1.3 溫度均勻性提升

此外，形狀從方形變?yōu)閳A形,，優(yōu)化了加熱區(qū)域的溫度分布情況,，溫度均勻性更好，可以達(dá)到 99.5% 的溫度均勻度,。

圖 4：新款芯片加熱時(shí)的溫度分布情況

02. 電子透明窗口的變化

2.1 電子透明窗口種類(lèi)多樣化

除了線圈尺寸,、形狀不同之外,，新舊兩款芯片所用來(lái)承載樣品的電子透明窗口也明顯不同。舊款設(shè)計(jì)中,，窗口都是形狀相同的長(zhǎng)條,，分布在方形螺旋之間。而在新款設(shè)計(jì)中,，窗口種類(lèi)則更加多樣化,，根據(jù)形狀和位置不同可分為三類(lèi)窗口，適用于不同的制樣需求,。

圖 5：新款芯片中透明窗口分三類(lèi)，可以適用于不同的樣品需求,。

紅色窗口：圓形窗口,，周?chē)鷮挸ǎ瑳](méi)有遮擋,，適合以各種角度放置 FIB 薄片,。

藍(lán)色窗口：位于線圈最中心，加熱均勻性最好,，周?chē)慕饘僖部梢砸种坪呻?，適合對(duì)溫度均勻性要求很高的原位實(shí)驗(yàn)，也適合放置易荷電的樣品,。

綠色窗口：長(zhǎng)條形窗口,，和 α 軸垂直，在高傾角時(shí)照樣可以觀察樣品,，適合 3D 重構(gòu),。 

總結(jié)

通過(guò)以上圖文，我們?yōu)榇蠹医榻B了采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)之后新款芯片的四大優(yōu)勢(shì),，全文小結(jié)如下：

1. “鼓脹”更小,，原位加熱時(shí)圖像更穩(wěn)定，便于追蹤瞬間變化過(guò)程,。

2. 紅外輻射更少,，在 1000 ℃ 時(shí)，依舊可以進(jìn)行可靠的能譜分析,。

3. 優(yōu)化線圈形狀,，抵消了溫度梯度，提升了加熱區(qū)域的溫度均勻性,。

4. 加熱區(qū)有三種觀察孔,，分別適用于 FIB 薄片、超高均勻性受熱、大傾角 3D 重構(gòu)等不同需求,。此外,，優(yōu)化后的窗口幾何不僅便于薄膜沉積，還可消除滴涂時(shí)的毛細(xì)效應(yīng),。這些針對(duì)不同需求的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)都使得制樣更加便捷,、高效。