電子顯微學專業課的透射電鏡樣品制備實習課

馬秀梅

（北京大學物理學院電子顯微鏡實驗室，北京100871）

0 引 言

電子顯微學是一門探索電子與固態物質結構相互作用的科學［1］。它是利用電子顯微鏡來研究物質的顯微組織、成分和晶體結構的綜合性學科，該學科技術性強、應用廣泛。近年來，伴隨著新一代球差校正器、單色器在電子顯微鏡上的應用，以及原位樣品臺（如：高低溫、氣氛、液體環境、電學、力學性能測量等）的不斷發展，再結合電子三維重構、X射線能譜、電子能量損失譜等分析技術，電子顯微學在揭示材料的微觀結構及其演化方面展示出更高的空間分辨和能量分辨能力［2］。目前，電子顯微學技術的應用已經覆蓋了包括材料、物理、化學、信息、生物、醫學等在內的幾乎所有的科學領域，電子顯微學技術在科學研究和應用中的作用和地位越來越重要。因此，很多理工科高校都開設有電子顯微學相關的課程，不斷提高電子顯微學課程的教學質量則具有非常重要的現實意義。電子顯微學這門課程包含的一個重要組成部分就是透射電子顯微鏡（簡稱透射電鏡）及其樣品制備，而透射電鏡應用的深度和廣度在一定程度上取決于樣品制備技術。透射電鏡樣品制備過程復雜、操作步驟繁多、專業性強、技術要求高。為了激發學生的學習積極性以及培養學生的實際動手操作能力，在電子顯微學專業課學習理論知識的同時進行透射電鏡樣品制備的實踐教學是尤為重要的。

我校電子顯微鏡實驗室成立于1964年，是第一個校級公共平臺，擁有透射電鏡、掃描電鏡及電鏡樣品制備配套設備等多臺大型精密儀器，并于2016年和2017年安裝了兩臺國際領先的球差校正透射電鏡，分別是FEI Titan Themis雙球差校正透射電鏡和Nion UHERMES200型單色儀球差校正透射電鏡。另外，為了能夠制備更好的透射電鏡樣品，滿足球差校正透射電鏡的制樣需求，電鏡室也采購了新型的透射電鏡樣品制備儀器。這些大型儀器設備結構精密，價格昂貴，專業性強，技術性高，在進行實踐教學時能夠開闊學生的視野，并能夠增加學生對于電子顯微學理論知識的感性認識，提高學生的學習效率。但是，大多數電子顯微學專業課的實踐教學都集中在透射電鏡的操作技術上，而對于透射電鏡樣品制備技術的實踐教學較少，重視程度不夠。筆者在近幾年的實踐教學過程中，更加體會到了透射電鏡樣品制備實習課的重要性，探討總結透射電鏡樣品制備實習課的教學方法，以期提高透射電鏡的測試水平與樣品檢測效果。

1 電子顯微學課程特點

電子顯微學課程在高校里主要是面向研究生開設的，這門課程的教學目標不僅使學生初步掌握電子顯微分析的基本原理，而且能夠正確地運用電子顯微技術和方法開展有關的科學研究［3］。該課程包含的理論知識眾多，比如：電子光學基礎知識、透射電鏡構造及樣品制備、電子衍射、電子衍射襯度成像、高分辨透射電子顯微術、掃描電子顯微鏡以及其他的電子顯微分析方法等［4］，這些內容都比較抽象，理論性強且技術要求高。同時，隨著科學技術的快速發展，電子顯微學技術的發展和更新速度也非常快。近年來，發展了一系列的新型電子顯微學成像技術，比如：球差校正環形明場掃描透射電子顯微成像技術（ABF-STEM）［5-7］、單原子分辨率的低電壓球差校正掃描透射電子顯微學定量成像分析技術［8］、能量過濾透射電子顯微學技術［9-11］，以及針對不同類型樣品發展的新型透射電鏡樣品制備技術［12-14］等，這些新技術在表征新型材料（比如鋰離子電池材料、石墨烯、氮化硼等）的微觀結構、晶體缺陷、反應機理等方面發揮著舉足輕重的作用。因此，電子顯微學課程的教學內容也應該隨著成像技術的不斷更新而更新，使學生們能夠拓展電子顯微學領域的前沿科學問題，不斷開闊科研視野。

電子顯微學課程在課堂上講解抽象的原理知識的同時，更主要的是向學生們講授一種科研方法、一種應用技術，期望學生們是為用而學、學以致用，希望通過該課程的學習，能夠了解電子顯微學領域的最新進展，以便于選擇恰當的研究方法來解決科研過程中遇到的實際問題，從而能夠對科研工作的開展有所幫助。當然，想要完全掌握這些實際應用技術，還需要做到課堂教學與實驗教學的緊密有效結合。這樣，學生們在掌握扎實的基礎理論知識的同時，又可以掌握先進的實驗技術方法，從而培養全面發展的科研人才。因此，電子顯微學課程的教學對于相關專業研究生的培養具有非常重要的作用。

2 透射電鏡及其樣品制備簡介

透射電鏡是利用穿透樣品的電子束成像，能夠以原子尺度的分辨能力，提供材料的顯微組織、結構、成分等方面的信息，其在現代科學、工程技術以及生物醫用等領域得到日益廣泛的應用［15］。透射電鏡分辨率高，可以得到的實驗信息豐富，比如：微觀形貌、尺寸、取向分布、結構缺陷、相組成、微區成分、電子結構、價鍵等信息，因此透射電鏡已經成為大部分科研單位不可缺少的顯微分析表征設備［16］。但是，透射電鏡的應用也有一些局限性，其中之一便是樣品制備繁瑣。這是由于透射電鏡樣品桿一般只能放入直徑3 mm的圓形樣品，而且由于電子束能夠穿透樣品的深度有限，因此要求樣品對于電子束是“透明”的，通常樣品觀察區域的厚度以控制在100 nm以下為宜，這給透射電鏡樣品制備帶來一定的困難。

透射電鏡樣品制備方法很多［17-18］，主要包括：表面復型技術、粉末法、化學腐蝕法、電解減薄法、超薄切片法、解理法、粉碎研磨法、聚焦離子束法、離子減薄法、真空蒸涂法、冷凍制樣法等。而透射電鏡樣品制備方法的選擇，主要取決于樣品類型和所要獲取的信息。通常來說，不同類型的樣品，如粉末樣品、塊體樣品、薄膜樣品、生物醫學樣品等，會選擇不同的樣品制備方法。透射電鏡樣品制備是一項復雜的技術，制樣花費時間長，有時甚至超過整個透射電鏡研究工作量的一半以上。制備得到的透射電鏡樣品必須具有代表性，能夠真實地反映材料的特征。隨著電子顯微學的不斷發展，對透射電鏡樣品制備技術提出了更高的要求，比如：樣品薄區更薄、更均勻，薄區面積更大，對樣品的損傷更小，樣品制備時間更短、精確度更高、成品率更高等。透射電鏡樣品制備技術是隨著電子顯微學的發展而不斷發展的，近年來涌現出了一些透射電鏡樣品制備的新儀器（如：離子切片儀、納米減薄儀）和新技術（如：多種制樣方法相結合），其對于材料的電子顯微學研究起著至關重要的作用。

3 透射電鏡樣品制備實習課

透射電鏡樣品制備過程繁瑣，技術要求高，而且應用領域廣泛。但是，在電子顯微學專業課中占據課時很少，而僅通過在電子顯微學課程的課堂上講解，學生們不僅不能深刻理解，而且也不能調動學生學習的積極性。實習課在學生的學習過程中具有重要作用，在實習課中學生可以將所學的理論知識加以應用，加深對理論知識的理解掌握［19］。筆者根據近幾年的實習課教學，深刻體會到透射電鏡樣品制備實習課在電子顯微學課程中的重要性。

透射電鏡樣品制備實習課在我校電子顯微鏡實驗室的樣品制備間進行，樣品制備間配備透射電鏡樣品制備相關的實驗用品和儀器設備，整齊合理布置。但是，由于實驗室場地及實驗工具有限，故需要將實習學生進行分組，一般每組6人左右，每節課1 h。這樣每個學生都可以親自動手操作，可以“科學、規范、安全、高效”地開展透射電鏡樣品制備實習，能夠充分體會并深入了解透射電鏡樣品的制備過程。同時，老師也可以與學生進行充分交流互動，了解每位學生主要的科研方向，以便于選擇介紹更加相關的樣品制備知識，這樣就能夠提高教學的實用性和生動靈活性，使學生們更加感興趣，做到真正的學以致用。

透射電鏡樣品制備實習課主要包括講解示范、學生操作、巡回指導、實習總結4個環節。①講解示范，首先向學生介紹透射電鏡樣品制備的原因、重要性以及實驗目的；之后，介紹本實驗室透射電鏡樣品制備的常用儀器及安全注意事項；另外，親自操作示范透射電鏡平面樣品的制樣步驟。這樣通過在實驗室的講解示范，對于課堂上一些比較陌生且難以理解的理論知識就會變得簡單易懂，提高了學生的學習效率。②學生操作，讓學生自己獨立動手操作，練習透射電鏡平面樣品的制備，這樣能夠調動學生的學習積極性，發揮主觀能動性，培養獨立操作能力，使學生掌握正確的操作技能并提高操作熟練程度。③巡回指導，在學生操作過程中，老師不斷巡回指導，及時糾正學生的操作錯誤，并與學生進行有效溝通，回答學生提出的相關問題，這樣能夠培養學生積極思考、解決問題的能力。④實習總結，實習課結束后，學生需及時進行總結，寫出實習報告，這樣達到鞏固知識的效果。透射電鏡樣品制備實習課4個環節的實踐教學模式得到了學生的好評，取得了良好的教學效果。

透射電鏡樣品制備實習課的意義在于，實習課的教學注重將理論知識應用于實際操作中，調動了學生的求知欲，提高了學生的動手操作能力，培養學生積極思考、解決問題的能力，使學生們能夠掌握正確規范的實驗技能，有助于日后科研工作的開展，做到了教學與科研的有效結合。

4 結 語

透射電鏡樣品制備實習課的開設做到了課堂教學與實驗教學的緊密結合，不但有助于提高電子顯微學專業課的教學質量，而且有助于培養高水平的科研人才。而透射電鏡樣品制備實習課的開設，也需要不斷探索及創新，以期取得更好的教學效果。