CN102539006A - 用于测量带电粒子光学装置中的样本载体的温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量带电粒子光学装置中的样本载体的温度的方法，其特征在于该方法包括用带电粒子束观察样本载体，该观察给出关于样本载体的温度的信息。本发明基于带电粒子光学装置（诸如TEM、STEM、SEM或者FIB）可以用来观察样本载体的与温度有关的改变这样的领悟。改变可以是（例如双金属物质的）机械改变、（例如钙钛矿的）结晶改变和（强度或者衰减时间中的）的发光改变。在一个优选实施例中，样本载体表现出两个双金属物质（210a，210b），其表现出在相反方向上弯曲的具有不同热膨胀系数的金属（208，210）。使用两个双金属物质之间的距离作为温度计。

Description

用于测量带电粒子光学装置中的样本载体的温度的方法

技术领域

本发明涉及一种确定带电粒子光学装置中的样本载体(sample carrier)的温度的方法。本发明还涉及一种配备用于执行该方法的样本载体。

背景技术

根据可从Gatan Inc., Pleasanton, California, USA商业上获得的Gatan 914 High Tilt Liquid Nitrogen Cryo Transfer Tomography Holder知道这样的方法。该支持器用于透射电子显微镜（TEM）或者扫描透射电子显微镜（STEM）中的低温x射线断层摄影并且被配备成支持样本载体（“网格”），载体继而承载样本。根据制造商，支持器的温度由提供灵敏线性温度响应的已校准硅二极管监视。该二极管位于样本支持器中。

所述测量方法的一个劣势在于该测量测量从样本本身移除的一部分的温度：测量样本支持器的一部分的温度，其中夹住样本载体。样本载体通常是直径为3 mm并且厚度为20μm或者更少的穿孔铜箔。薄箔上的感兴趣区域的温度因此可能不同于测量二极管所测量的温度。

该测量的另一劣势在于测量包括通过二极管馈送电流并且测量二极管上的电压。该测量因此通过欧姆加热提高了二极管的温度，这尤其在低温温度下不利。

所述方法的又一劣势在于使用二极管意味着必须在样本支持器（侧入型支持器）中引入薄线，这导致高成本的复杂产品。

另一已知方法是使用高温计（pyrometer）来测量温度。该测量温度的方法本身是已知的。

该方法的一个劣势在于：如本领域技术人员所知，该方法很好地适合于测量例如500℃以上的温度，但是不适合于在室温测量并且在低温温度下甚至更不适合。

另一劣势在于用于查看样本的光学透明窗口必须可用于使高温计能够查看样本。尤其在STEM或者TEM中，其中样本放置于所谓物镜的极片（pole piece）之间，在极片之间的该体积就对所述体积的访问而言颇为难得。

需要指出：在低温温度下的样本检查如本领域技术人员所知的那样对于检查生物样本以例如而言是重要的，例如为了减少对样本的损坏和消除否则需要的树脂嵌入。

注意，根据美国专利号7,331,709已知一种方法，该美国专利公开了直径在40与150 nm之间并且长度在1与10μm之间的碳纳米管。碳纳米管在一端闭合并且封入小滴镓或者镓柱（column of gallium）。为了测量范围为50℃至500℃中的温度，碳纳米管与镓柱一起被带入待测量的样品，该样品位于大气中。结果，氧化镓帽形成于碳纳米管中，其在冷却之后保持就位。帽的位置可以由TEM确定（注意，碳纳米管对于电子而言透明）。该位置通过镓的热膨胀系数来与帽的形成温度联系，并且因此确定在TEM测量位置的温度与帽的形成（或者至少推动就位）温度之间的温度差。

由于该方法基于在大气环境中的对镓的氧化，所以它并不适合于在粒子光学装置的真空中使用。

发明内容

本发明旨在提供一种无所述问题的、用于测量样本载体的温度的方法。

为此，根据本发明的方法的特征在于该方法包括用带电粒子束观察样本载体，该观察给出关于样本载体的温度的信息。

发明人认识到其中使用该方法的装置（诸如扫描电子显微镜（SEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、透射电子显微镜（TEM）或者聚焦离子束装置（FIB））很适合于观察样本载体上的现象。本发明基于通过观察依赖于温度的现象（诸如基于热膨胀的位移或者结晶（crystallographic）改变）可以确定温度的领悟。

在一个优选实施例中，样本载体的一部分例如形成为带，该带具有表现不同膨胀系数的两种或者更多不同材料，这导致双金属物质（比如所述带随着温度改变而弯曲）。该弯曲因此导致带的端部与样本载体的另一部分相比的依赖于温度的位移。注意，尽管双金属物质是表现该行为的公知例子，但是严格的说无需是两层而是可以包括多于两层、它也无需是金属而可以是具有不同热膨胀系数的材料的任何组合。

优选地，带为双金属带，其中一种材料为样本载体本身的基底金属（通常为铜），其镀有对于衬底金属而言具有良好双金属性质（最高膨胀系数差）的金属，诸如铬、铂、钨。这导致如下样本载体，该样本载体表现良好的导电性（并且因此未带电）和高的热位移。

在感兴趣温度范围内表现一种或者多种相转变或者相分离（segregation）的材料可以用来指示温度是高于还是低于相转变温度。需要指出：例如TEM能够通过确定所述材料的衍射图案来确定所述材料的相。这样的材料的例子是来自于钙钛矿SrTiO₃组的材料。该材料在105K表现相转变，从而在所述温度以上表现立方晶体并且在所述温度以下表现四方结构。

另一种这样的材料为Na_0.5CoO₂，例如参见H.X. Yang等人的“Phase separation, effectsof magnetic field and high pressure on charge ordering in                                                

”,Materials Chemistry and Physics 94 (2005) 119-124。另一种这样的依赖于温度的现象为发光（luminescent）材料的衰减时间。这例如在M. Bednarz等人的“Intraband relaxation and temperature dependence of the fluorescence decay time of one-dimensional Frenkel excitons: The Pauli master equation approach”，J. Chem. Phys., Vol. 117, No. 13 (2002年10月1日), pp. 6200-6213，中有所描述。

需要指出，相变经常伴有体积改变，并且因此可能例如引起与针对双金属物质描述的弯曲类似的部分弯曲。

如在美国专利号7513685：“Temperature sensitive paint for an extended temperature range”，（其公开一种包括两种荧光材料的涂料）中描述的那样，荧光材料的相对光度也可以依赖于温度。需要指出，带电粒子可以刺激荧光材料。注意，可以通过比较两种荧光材料（每种荧光材料表现出不同颜色的荧光）的混合物的光度或者衰减时间来改进这些方法的灵敏度。还要注意，荧光应当加以广义理解并且在该上下文中包括磷光。

测量材料中诱发的应力和/或张力也可以指示样本载体的温度。此类温度诱发的应力和张力可以是塑料变形或者结晶改变的结果。可以例如根据衍射图案推断张力。

当样本载体截获带电粒子束时，向截获该束的样本载体的部分引入电势。通过观察该电势，可以收集关于导电率的信息。众所周知，材料的电阻率可以高度依赖于温度，尤其在相变发生时。公知的例子是在温度低于临界温度时超导性的开始。需要指出，可以通过此类电势引入的对通过的带电粒子束的偏转来观察此类电势。

需要指出，在上文提到的情况的一些中，仅确定了样本载体具有高于还是低于临界温度（例如发生相变的温度）的温度，而在其他情况中，例如在确定双金属物质的弯曲时可以获得模拟或者更逐步的表示。

附图说明

现在使用附图来阐述本发明，在附图中使用对应的参考符号来指示对应部分。在附图中：

图1示意地示出了用于在TEM中使用的样本载体，

图2a示意地示出了图1中所示样本载体的细节，

图2b示意地示出了在图2a的样本载体中形成的叉（pronge），以及

图3示意地示出了根据本发明的样本载体，其中示出了结晶部分。

具体实施方式

图1示出了用于在TEM中使用的典型样本载体。样本载体（也称为“网格”）通常由厚度在20与30μm之间的铜箔制成，尽管厚度如6μm一样低的网格也是可用的。网格具有3.05mm的外径。它表现出大量孔，可以将样本覆盖（drape）在其上。有大量各种网孔的网格可用，这些网孔的范围从约2条/毫米（bar/mm）（每英寸50线）至约400条/毫米（每英寸2000线）。图1示出了具有水平条和竖直条相交于此的交叉点102的此类网格。注意，铜网格最为常见，但是也已知滑移式铜网格，正如已知镍、金、铜/钯、尼龙和碳网格以及在孔之上有碳箔或者SiN层（用于样本的额外支撑）的铜网格和具有非方形网孔（诸如矩形或者六边形网孔）的网格一样。

图2a示意地示出了图1中所示交叉点102。网格现在镀有热膨胀系数与基底材料的热膨胀系数不同的材料（诸如向铜网格镀镍）。最后，移除在条202与垂直条之间的连接204并且通过移除区域206将独立条一分为二。结果，形成具有两个尖头（tine）的叉。

图2b示意地示出了在向基底材料涂覆涂层208并且磨掉区域204和206之后形成的叉。叉的两个尖头210a和210b在方向AA’上反对称，因为彼此相向的两侧主要由基底材料制成并且其他侧仅表现镀制材料。尖头因此是在相反方向上沿着线AA’弯曲的双金属物质。结果，在两个尖头之间的距离将在温度改变时由于基底材料（例如铜）和涂层材料（例如镍）的热膨胀差而改变。

注意尖头在网孔的方向上稳定，因为基底材料的两侧由其他材料覆盖，并且因此未形成网孔平面以外的合力。

在测试版本中用聚焦离子束完成碾磨区域204和206，但是也设想了其他制作方法，诸如激光消融（laser ablation）。尤其对于布置部分204，机械切割也是可能的。

图3示意地示出了根据本发明的样本载体，其中示出了当在TEM中检查时是透明的结晶部分301。结晶部分从在感兴趣温度范围中表现出一个或者多个相变的材料形成。作为例子，可以使用SrTiO₃钙钛矿，该材料在105K表现出相转变。在该温度以上，它表现出立方体结构，并且在所述温度以下，表现出四方结构。

注意部分301可以是自支撑，但是也可以在薄膜（诸如碳膜或者薄半导体膜）上。在后一种情况下，衍射图案表现出半导体和钙钛矿的重叠。

还要注意，虽然在TEM或者STEM中记录的衍射图案通常用于确定晶体结构，但是也可以使用其他技术，诸如在SEM中确定Kikuchi线。确定Kikuchi线的优势在于晶体无需对于电子而言透明，因为这依赖于电子的反射。

需要指出，尽管实施例使用低温温度来讨论本发明，但是本发明同样适合于在接近或者高于室温的温度使用。

Claims (14)

1.一种确定带电粒子光学装置中的样本载体的温度的方法，其特征在于所述方法包括用带电粒子束观察所述样本载体，所述观察给出关于所述样本载体的温度的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述观察导致所述样本载体的两个部分（210a，210b）的相对位置的信息，作为一个或者多个固体的热膨胀或者收缩的结果，所述相对位置依赖于温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述样本载体的一部分由具有不同膨胀系数的至少两种材料（206，208）组成，作为其结果，所述部分表现出于依赖于温度的变形。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述样本载体的所述部分由至少两种金属（206，208）组成并且所述部分表现为双金属带。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述样本载体包括在感兴趣温度范围中表现出一种或者多种相转变或者分离的结晶部分，并且所述观察导致所述样本载体的所述结晶部分的相或者相分离的信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述观察包括对发光的观察，所述发光由用带电粒子照射所述样本载体的至少部分来引起，并且所述观察导致关于所述发光的颜色和/或衰减时间的信息，所述颜色和/或衰减时间依赖于温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述样本载体包括表现不同颜色的荧光的两种荧光材料，所述颜色的光度和/或与每种颜色关联的所述衰减时间之比依赖于温度，并且所述方法包括比较所述两种或者更多荧光材料的所述光度或者衰减时间。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述观察包括观察所述样本载体的一部分对带电粒子束的偏转，所述样本载体的所述部分具有作为带电粒子的照射的结果的电势、因此给出关于所述样本载体的材料的电阻的信息。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述观察给出关于在所述样本载体的至少部分的材料中诱发的张力。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在透射电子显微镜中或者在扫描透射电子显微镜中使用衍射图案来确定所述张力。

11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中温度测量是所述样本具有高于还是低于预定温度的温度的测量。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述预定温度由所述样本支持器的两个部分的参考位置或者所述样本支持器的一部分的相转变确定。

13.一种样本载体，用于执行根据权利要求2-4中的任一权利要求所述的方法，其特征在于所述样本支持器表现为由具有不同热膨胀系数的至少两种材料组成的至少一个独立带，作为其结果，所述带针对不同温度表现出不同的形式。

14.一种表现出结晶部分（301）的样本载体，所述结晶部分在感兴趣的温度范围中表现出一种或者多种相变。

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