碳膜：如何定义“质量”？
碳薄膜，因为它们的机械强度，导电性和热稳定性是优选的。超薄碳膜以直接的方式制备可由于常规碳沉积方法的非可重复的特征的费力的任务。碳filmes的结构和质量由蒸发特性（蒸发模式中，真空度，蒸发速率，工作距离和温度）的约束。再进这些参数或高品质的无定形碳薄膜的蒸发细节，它是必不可少的，以限定“质量”术语，因此讨论该碳载体薄膜应，以便满足为适合于宽范围的哪个标准电子显微镜应用。
- 对电子的高透明度: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。当质量厚度与试样相当时，薄膜可以减弱图像中结构细节的强度。
- 足以承受电子轰击的强度
- 均匀厚度:薄膜厚度对分析研究、定量成像或电子层析成像至关重要。
- 没有任何内在结构，表面不规则和污染物
- 导电，为了防止电荷的累积
- 易于准备和报告
然而，获得这样的碳膜只是制造一种合适的TEM标本。在第二步中，样品需要被应用到碳支撑膜上。样品通常分散在水或溶剂中。不幸的是，在溶剂中的分散往往含有残留的反应产物(如表面活性剂、封盖剂……)，这些产物很难消除，是污染源。即使在使用样品之前，碳膜是干净的，但样品本身会引入污染物，污染物会扩散到碳表面的感兴趣的区域，在那里它们在电子束下局部分解和聚合。这种碳积累导致信号强度差。显然，碳支撑膜在使用时应满足一些额外的标准TEM试样制备：
- 如果样品分散在水中，应使用辉光放电或温和等离子处理使支撑膜亲水性。为了使纳米材料或生物结构更均匀地分散，并且不破坏碳膜，这样的处理是必要的。
- 支撑膜在机械上应该是稳定的，因为在特定的协议期间它可能会被过度处理。
- 支撑膜应能承受其他后处理，如高真空加热，以去除污染物。
考虑到上述标准，显然厚度和稳定性之间存在权衡。最近石墨烯被用作支撑膜，但用石墨烯覆盖完整的空穴碳膜具有挑战性，在稳定性方面(例如300 kV测量、增加采集时间、过度网格处理……)，超薄碳膜是首选。为了获得良好的稳定性和电荷的分散，超薄膜在电子束辐照或处理过程中会出现局部平面偏差和破裂。
简单地说，两个准备步骤是至关重要的:
- 在基材上获得“高质量”的碳薄膜
- 随后将薄膜转移到合适的支撑结构上。
在衬底上蒸发超薄膜
制备超薄碳膜的方法有好几种。通常，5纳米的无定形碳层被蒸发到聚合物支撑膜上(Formvar, Butvar, Collodion，…)，随后只溶解聚合物膜。然而，这种方法会使剩余的碳膜起皱。
此外，不是所有的聚合物溶解使膜是不均匀的或干净。最合适的，最薄的薄膜可通过直接蒸发碳膜到新鲜切割的云母来制备。该膜被释放在水中并转移到的Quantifoil或多孔碳膜。支撑结构是必要的，以便在成像过程中，以提高系统的稳定性和电荷耗散和限制振动。
通过不同的碳蒸发方式可以得到非晶态碳膜。预成型石墨棒的电弧蒸发是制备非晶态碳膜的最广泛的方法。与电弧过程相关的宏观颗粒经常出现在沉积膜中，并导致厚度不规则性增加。另一个缺点是蒸发过程中的高温(辐射热)，这会损坏敏感的样品，导致碳薄膜起皱，但更重要的是，薄膜中碳簇的平均尺寸更大。蒸发过程中巨大的压力上升甚至进一步促进了这些团簇的形成(颗粒增加)。
结果，在厚度为3 ~ 5 nm的薄膜中观察到严重的表面粗糙度。大的热量也影响石英晶体振荡的频率，使精确和可重复的层沉积困难。此外，高能量蒸发碳物种冲击样品，造成强烈的粘附，使碳膜从云母基板上很难释放。显然，碳棒蒸发并不是以可重复的方式生产光滑的3 nm超薄碳膜的最佳方法。
自适应碳丝蒸发：灵活，精确和可重复
自适应碳丝蒸发使精确和灵活的碳涂层，其适用性远远超过超薄碳膜显示在本应用说明。其无与伦比的灵活性源于其独特的自适应过程和多段结构。然而，不仅是蒸发模式，而且基础电子学也是至关重要的，特别是当蒸发最薄的薄膜时，均匀性和准确性是最重要的。通过多次蒸发得到超薄碳膜。多段配置允许蒸发碳从4个碳线程段。这使得使用薄碳线和结果最高的精度，因为所有层都是通过自适应脉冲顺序建立的。
每个脉冲之间，碳膜和剩余的碳螺纹段的属性的厚度，以便适应参数用于下一脉冲测量。高真空（5×10 -6毫巴）和稳定的真空蒸发期间允许均匀的超薄碳层的沉积。所沉积的膜是无任何固有的结构，表面凹凸和污染物。而且，辐射热到所述样品显着降低。在上面所示的图像，连续的层沉积在滤纸上（从左至右为：1，2，3，4和5纳米）。碳丝蒸发也是在大面积上均匀的（参见下面的图像）。的约10cm的圆形滤纸（A）之前和之后（B）的碳涂层中所示。
更重要的是灵活性和再现性的结合。非晶态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储存，可重复的结果可以预期涂层后，没有惊喜。这种重复性是至关重要的，因为碳涂层总是复杂的标本制备工作流程的一部分。
超薄碳膜:过程
- 清洁的玻璃陪替氏培养皿中填充有超纯水。
- 将滤纸放在陪替氏培养皿和Quantifoils或多孔碳片的底部小心地放置在滤纸上。
- 使用自适应碳螺纹蒸发模式下，碳的3纳米层在5×10 -6毫巴的真空水平沉积在新鲜剥离云母。接着，将碳涂覆的云母薄片以30度的角度缓慢地降低到水中。水将通过毛细作用力渗透到碳薄膜和云母表面之间的空间和膜被释放。
- 将滤纸慢慢取出水使人放心的是，正方形碳膜沉积到网格出来。
- 将滤纸转移到新的滤纸上，以排干大部分的水，然后在40度的热板上烘干10分钟。
- 这些薄膜可以使用了。
与此相反的支撑的Quantifoil膜（参照图像F）的超薄膜覆盖所述孔是无懈可击清洁且均匀的。最好的方法制备TEM将样品分散后，用镊子夹住网格，滴上大约5µl的小滴。接下来，通过在滤纸上摩擦网格边缘，将多余的部分吸干。如果需要，超薄碳膜可以辉光放电或等离子体清洗(低粉末和只有5%的氧气约30秒)。下图可以看到常规碳膜(左图，15 nm碳)和超薄碳膜(右图，3 nm)之间的差异。CdSe量子板的晶格在右图中很容易观察到。
丹尼尔Vanmaekelbergh，德拜研究所纳米材料科学，乌得勒支大学：样本礼貌
