从你的样品中揭示更多的方法:超薄碳薄膜

碳膜因其机械强度、导电性和热稳定性而被首选。由于传统的积碳方法具有不可重复性的特点，用简单的方法制备超薄碳膜是一项艰巨的任务。碳膜的结构和质量受蒸发特性(蒸发方式、真空水平、蒸发速率、工作距离和温度)的影响。在详细讨论这些参数或高质量非晶碳膜的蒸发之前，有必要定义术语“质量”，从而讨论碳支撑膜应该满足哪些标准，以便适用于广泛的电子显微镜应用。

• 电子透明度高:支撑膜的厚度和密度对图像的对比度和分辨率有重要影响。当质量厚度与样品厚度相当时，薄膜可以衰减图像中结构细节的强度。
• 足以承受电子轰击的强度
• 均匀的厚度:薄膜的厚度对于分析研究、定量成像或电子断层摄影是至关重要的。
• 无任何固有结构，表面不规则和污染物
• 导电，以防止电荷的积累
• 易于准备和报告

然而，获得这样的碳膜只是制作一个合适的过程的第一步TEM标本。在第二步中，样品需要应用在碳支持膜上。样品通常分散在水或溶剂中。不幸的是，溶剂中的分散体通常包含剩余的反应产物(如表面活性剂、盖剂等)，这些产物很难消除，是污染的来源。即使在应用样品之前碳膜是干净的，样品本身会引入污染物，这些污染物会扩散到碳表面，在电子束下局部分解和聚合。这种碳积聚导致信号强度较差。显然，碳支撑膜在使用时应满足一些附加的标准TEM样品制备:

• 如果样品分散在水中，应使用辉光放电或温和等离子体处理使支撑膜亲水性。这样的处理是必不可少的，以分散纳米材料或生物结构更均匀，可能不会破坏碳膜。
• 支撑膜在机械上应该是稳定的，因为它可以在特定的协议中经受过度的处理。
• 支撑膜应经得起其他后处理，例如高真空加热以去除污染物。

考虑到上述标准，很明显，厚度和稳定性之间存在权衡。最近石墨烯被用作支撑膜，然而，用石墨烯覆盖一个完整的多孔碳膜具有挑战性，而且在稳定性方面(例如，300 kV的测量，增加的采集次数，过多的网格处理……)，超薄碳膜是首选。为了获得良好的稳定性和电荷耗散，超薄膜在电子束照射或搬运过程中会出现局部的平面偏差并发生断裂。

简单地说，准备的两个步骤是至关重要的:

1. 在基板上获得“高质量”的薄碳膜
2. 随后将薄膜转移到合适的支撑结构上。

为了制备超薄碳膜，采用了几种方法。通常，5纳米的无定形碳层被蒸发到聚合物支撑膜(Formvar, Butvar, Collodion，…)上，随后只有聚合物膜被溶解。然而，这种方法会使剩余的碳膜起皱。

此外，并不是所有的聚合物都被溶解，导致薄膜不均匀或不干净。最合适和最薄的薄膜可以通过直接在刚切割的云母上蒸发碳膜来制备。这种薄膜在水中释放，并转移到Quantifoil或孔碳薄膜上。为了提高成像过程中的稳定性、电荷耗散和限制振动，支撑结构是必要的。

通过不同的碳蒸发方式可以得到非晶碳膜。预成形石墨棒的电弧蒸发是目前应用最广泛的获得非晶碳膜的技术。与电弧过程相关的大颗粒经常出现在沉积的薄膜中，导致厚度不规则增加。另一个缺点是蒸发过程中的高温(辐射热)，它会损坏敏感样品，导致碳膜起皱，但更重要的是，在膜中碳簇的平均尺寸更大。蒸发过程中较大的压力升高进一步促进了这些团簇的形成(颗粒粒度的增加)。

因此，在厚度为3到5纳米的薄膜上观察到严重的表面粗糙度。大的热量也影响了石英晶体振荡的频率，使精确和可重复的层沉积变得困难。此外，高能蒸发碳物种影响样品，造成强烈的粘附，使碳膜从云母基板释放困难。显然，碳棒蒸发不是以可复制的方式生产光滑的3纳米超薄碳膜的最佳方法。

更重要的是灵活性和再现性的结合。非晶碳膜的性能与蒸发特性密切相关，如蒸发速率、真空、使用方式等。一旦和蒸发协议被优化和存储，可重复的结果可预期的涂层后，没有惊喜。这种再现性是至关重要的，考虑到碳涂层始终是一个复杂的样品准备工作流程的一部分。