透射電鏡原位樣品桿加熱功能 4 大特性解析

引言

最近，Lighting Arctic 原位冷凍熱電樣品桿上市，將原位熱電技術推向新的高度，使其在能源轉(zhuǎn)換、材料研究等領域發(fā)揮更大作用。

細心的讀者朋友可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，從第一款產(chǎn)品 Wildfire 原位加熱樣品桿開始，到最近的 Lightning Arctic 原位冷凍熱電樣品桿，變溫過程中的穩(wěn)定性始終是 DENS 系列產(chǎn)品的一大特點。事實上也確實如此，得益于先進的 MEMS (微機電系統(tǒng)) 技術和創(chuàng)新的設計理念，DENS 原位樣品桿優(yōu)秀的溫控性和穩(wěn)定性經(jīng)過了時間的考驗，為原位實驗技術的發(fā)展提供了保障，也得到了許多用戶的認可。下面，我們將以 Wildfire 原位加熱樣品桿為例，從控溫精準、圖像穩(wěn)定、高溫 EDS (能譜)分析、加熱均勻這四個方面，向大家更全面地介紹 透射電鏡原位樣品桿在加熱功能上所具有的特性。

原位樣品桿芯片加熱原理

在詳細介紹之前，先和大家介紹一下 Wildfire 原位樣品桿加熱芯片的加熱原理。芯片采用電阻式加熱法為目標區(qū)域提供熱量，以達到所需溫度，即通過將電能轉(zhuǎn)換成熱能來加熱物體，這和日常生活中電熱毯、電熱爐(圖 1)的工作原理是一致的。只不過 Wildfire 原位加熱樣品桿是對 MEMS 芯片上的微米級區(qū)域進行加熱，它的功率要小很多，在毫瓦量級，僅相當于電熱爐的百萬分之一！

圖 1：電熱爐的加熱線圈(上)和 MEMS 芯片上的加熱線圈(下)

原位樣品桿加熱特性

特性 1：控溫精準

現(xiàn)在，大家對于原位樣品桿的加熱原理有了一定了解。那自然會好奇，原位樣品桿到底是如何使加熱區(qū)達到設定溫度的呢？

回想高中物理知識，大家或許還記得金屬的電阻隨著溫度的升高而增大。實際上，金屬電阻和溫度成線性關系(圖 2)，而直線斜率就是電阻溫度系數(shù) (Temperature Coefficient of Resistance, 簡稱 TCR)。知道了 TCR 和某一溫度下的電阻，我們就可以確定溫度與電阻的對應關系。在這種情況下，溫度數(shù)值和電阻數(shù)值一一互相對應。知道了電阻，就可以計算出溫度，反之亦然。

圖 2：電阻和溫度呈線性關系

那我們是如何測量加熱區(qū)域的電阻呢，其實還是我們在物理課堂上所學的電阻計算公式：

電阻=電壓/電流

只不過，Wildfire 加熱芯片對于電阻的測量采用了一種更為準確的方式——四探針法(圖3左)。相較于傳統(tǒng)的測量方法(圖 3 右)，四探針法因為就近額外設置了兩個觸點，可以更直接地測量線圈(Rheater)的電壓，避免引入回路中接觸電阻(Rcontact)、導線電阻(Rcable、Rwires)等的電壓。由此所測得的電壓才是真正的線圈電壓，從而計算出來的電阻也就是準確的線圈阻值。

圖 3：四探針法測電阻(左)和傳統(tǒng)測量方法(右)

圖 4：Wildfire 原位樣品桿加熱芯片，采用四電極設計

每一組加熱芯片在出廠時，都經(jīng)過了校準測試，并計算出了獨立的 TCR 值和R0 (室溫時的線圈電阻)。知道了 TCR 和 R0，就可以確定微線圈的電阻-溫度關系，再加上用四探針法所準確測量的電阻值，我們就可以知道加熱線圈當前的準確溫度。

當我們把樣品固定在芯片上開始實驗時，微線圈通過上述方式對樣品進行加熱。在升溫過程中，線圈和樣品發(fā)生熱量交換。樣品受熱時可能會由于結(jié)構(gòu)、成分變化，給加熱過程帶來動態(tài)干擾。為了進一步確保溫度的準確和穩(wěn)定，我們引入了閉環(huán)反饋機制(Closed Loop Feedback Mechanism, 圖 5)，用來實時響應溫度波動，瞬間做出功率調(diào)整，最終可以達到 0.005 oC 的溫度穩(wěn)定性。

圖 5：四電極(二加熱&二感知)，加熱線圈(左)和閉環(huán)反饋機制(右)

此外，這種機制也有助于實現(xiàn)快速且準確的變溫，為探究變溫過程中的結(jié)構(gòu)變化帶來了極大便利（圖 6)。

圖 6：在 300oC 和 400oC 之間往復變溫，Cu3Au 在簡立方相(SC)和面心立方相(FCC)之間發(fā)生可逆相變(相變點 390oC)。借助選區(qū)電子衍射(SAED)可以直接觀察到兩種相的反復切換。

特性 2：穩(wěn)定的高溫圖像

目前市面上主流的原位透射電鏡加熱方案都采用芯片式設計，為了避免加熱器與樣品接觸發(fā)生化學反應或加熱電流流經(jīng)樣品，一般都會在加熱器上包覆一層超薄氮化硅(SiN)薄膜用以和樣品隔離。溫度改變時，SiN 薄膜會發(fā)生鼓包變形，薄膜上承載的樣品也會跟著發(fā)生位移，焦距會變化，進而圖像模糊，甚至樣品可能會漂出視野。

得益于獨（du）家專（zhuan）利，DENSsolutions 優(yōu)化設計的加熱芯片在室溫至 500 oC 區(qū)間內(nèi)的焦距變化不超過 300 nm。在此范圍內(nèi)，用戶只需再次稍微調(diào)焦即可恢復圖像清晰度。實際上，目前采用最新設計的新款芯片要比它的上一代產(chǎn)品的鼓包變形要小得多（圖 7)，在 500 oC 以內(nèi)變形可以忽略不計，即使到了 1300 oC 形變量也不到 7 μm。

圖 7：采用了最新設計的芯片(左)比上一代芯片(右)的受熱鼓包形變更小。

相反，如果是未經(jīng)優(yōu)化設計的普通芯片，才剛加熱到 200 oC 時，焦距變化就遠大于 200 nm，用戶就不得不移動樣品臺的物理 Z 軸來補償該變化。這種操作比較耗時，很可能會錯過重要的反應過程。如果不移動、只調(diào)焦的話，則可能會帶來像差，進而影響圖像質(zhì)量。

鼓包不僅會帶來 Z 方向上的焦距變化，也會引起 X、Y 方向上的圖像漂移。原位實驗研究某一顆粒或某一微區(qū)時，需要在整個溫度變化過程中都可以觀察到目標區(qū)域。漂移較小所帶來的好處就是——即使升溫再高，樣品始終在視野范圍內(nèi)，還可以被觀察到(圖 8)。否則，升到某一溫度時顆粒就可能漂出視野，不移動樣品臺就無法找到樣品。如果漂移再多、再快的話，即使操作樣品臺也永遠無法找到這個樣品了。

圖 8：即使升溫至 1300 oC 后，所關注的納米顆粒依舊在視野中。

Wildfire 原位加熱桿加熱樣品時，漂移率小于 0.5 nm/min，升溫至 350 oC 時漂移小于 20 nm （視頻 1)，升溫至 1000 oC 時漂移小于 200 nm。

特性 3：高溫 EDS 分析

進行 EDS (能量分散譜，即能譜)分析時，探測器采集來自樣品的特征 X 射線，轉(zhuǎn)換成電壓信號進行分通道計數(shù)，根據(jù)不同能量 X 射線對應的計數(shù)量，可以得出各元素的百分含量。從原理上講，其他電磁波諸如紅外線、可見光、紫外線也可以激發(fā) EDS 探測器，帶來計數(shù)量，但 EDS 不能用這些計數(shù)進行有效分析。

線圈溫度上升時會發(fā)光發(fā)熱，也就是會產(chǎn)生可見光和紅外線。這些額外的電磁波會被 EDS 探測器接收，產(chǎn)生大量無效計數(shù)，甚至淹沒關鍵的特征 X 射線計數(shù)，使計數(shù)器達到飽和上限，導致無法進行有效分析。要想在加熱的同時實現(xiàn)可靠的高溫 EDS 分析，就要盡量減少熱輻射的產(chǎn)生。

圖 9：EDS 探測器構(gòu)造，可以看到晶體后方連著傳感器和冷阱，以保證低溫。

得益于先進的 MEMS 設計，Wildfire 芯片僅需要毫瓦級的功率即可對微區(qū)進行精確可靠的溫度控制。如此小的加熱功率，它所產(chǎn)生的紅外輻射自然也是少之又少的。因此，即便在更高的溫度下，依舊可以獲得可靠的 EDS 結(jié)果。

圖 10：高溫下 Au/Pd 納米顆粒的 EDS 面掃結(jié)果

特性 4：溫度均勻一致

前文我們提到，微線圈的加熱原理是把電能轉(zhuǎn)換成熱能。這種焦耳生熱的效率與電阻有關——電阻越大產(chǎn)生的熱量就越多。下圖中我們可以看到，加熱線圈外圍導線明顯較細，而內(nèi)圈導線較寬。這樣外圍線圈產(chǎn)生的熱量較多，內(nèi)圈產(chǎn)生的熱量較少，一定程度上可以抵消由中心向外圍的溫度梯度。如果是導線粗細一致，產(chǎn)生熱量相同，毫無疑問中心溫度會更高，自然就會有由內(nèi)向外的溫度由高到低的梯度。采用這樣的設計，加熱區(qū)域的溫度均勻性也就無法得到保證。

圖 11：Wildfire 芯片加熱區(qū)的線圈排布和溫度均勻性分布

通過這種線圈設計方式，全區(qū)域溫度一致性優(yōu)于 98%。甚至，在最中心的兩個圓形窗口，溫度一致性高達 99.5%！