校级公共平台透射电子显微镜用户入门培训方式探索

梁超伦，刘 林

(1.中山大学 测试中心，广东 广州 510275; 2.中山大学 电子与信息工程学院, 广东 广州 510275)

透射电子显微镜(TEM)是一种多功能的电子束成像分析仪器.利用TEM的表征技术，能够获得物质的微观形貌、内部结构、化学成分及化学环境等信息，是理解物质理化性能和微观结构关系的一个最直观、最重要的综合分析手段[1-2].TEM作为一门交叉学科，涵盖了化学、物理学、材料学、晶体学、生物医学、地质等学科[3]，适用范围广，测试需求量大.然而，TEM是高真空下的电子束成像分析大型仪器，其价值高、构造精密、操作复杂、维护维修成本较高，使用者一般需经过较长时间的理论和操作培训才可自主操作，开放共享效率受到高的操作技术性和长周期的培训限制.另一方面，TEM测试作为一种过程性试验，需要充分发挥操作者的主观能动性.具备自主操作能力的用户需对自身样品熟悉，对测试内容和表征方案明确，在测试中能精准定位分析所需观察的区域，在操作过程中可以高效获取样品的结构信息，能从TEM测试中最大程度地获得有效反馈，有助于促进其应用和研究水平.因此，在确保仪器完好率，保障各项功能正常运作的前提下，探索一种高效简便的操作培训方式，规范有序地进行用户自主操作培训，增加自主操作用户数量并扩大自主操作范围，是加强公共平台TEM的开放共享程度、充分发挥仪器的测试功能、满足用户的分析测试实际需要的重要途径.

1 TEM常规培训方式

TEM是技术难度和精细程度最高的仪器之一，需要调节的试验条件以及控制按钮多，对操作人员的实验技能和分析能力要求较高.常规培训方式是基于电子显微学理论及具体仪器规范化的操作步骤，进行基础理论课堂讲授、专题讲座报告、操作演示及实操培训.以日本电子JEM 2010HR TEM的实操培训为例，首先进行“自上而下”的电子光路合轴调节，继而观察并拍摄[4].如图1所示，基本操作有以下主要步骤：电子枪的平移和倾斜调节、聚光镜光阑对中、聚光镜像散消除、共心高度调节、电压中心调节、物镜象散消除、物镜光阑对中、中间镜及投影镜合轴、中间镜象散消除等[5].根据以往暑期对用户进行集中培训的经验，整套光路合轴对中调节，每名用户至少需要40 h以上的操作经验方可掌握.对于普通用户而言，较长的培训周期限制了仪器的使用率和开放共享程度.此外，全套电子光路合轴培训将会增加硬件损伤的概率.如光阑的机械对中及样品杆的插入和拔出，若操作不当将会影响TEM的性能和寿命.

2 TEM快速培训方式

通过简便有效的快速培训增加自主操作用户数量是有效提升测试机时的重要手段，对解决大量测试需求至关重要.针对常规培训周期长的不足，我们总结以往日本电子和FEI透射电子显微镜的培训经验，将常规培训体系划分为快速入门培训、进阶培训和高级培训.入门培训主要面向初步接触TEM的用户，满足其形貌观察的需求，并为进阶及高级培训奠定基础.进阶培训主要授以高分辨成像及能谱分析操作技术.高级培训针对有长期TEM测试需求的用户，提供完整的电镜光路合轴、交换样品、常见故障排查等培训.

快速入门培训的目标是使用户掌握形貌拍摄的基本操作技术，重点培训高频操作技巧及实际使用方式(如图2所示).在实验技术人员调节好电子枪对中、聚光镜系统合轴和电压中心后，用户掌握三项核心基础操作便可进行形貌观察和拍摄.

图2 透射电镜形貌观察入门操作流程

(1)调节物镜标准电流值和共心高度.首先，在约5万倍放大倍数下，把物镜调至共心高度聚焦值(物镜电流默认值).调节第二聚光镜使电子束会聚于非晶碳膜表面，调节Z轴高度，使电子束晕斑消失.或者使用α-Wobbler，调节Z轴使样品不随样品台的摇摆而抖动.然后调节电子束会聚/发射和电子束平移，达到平行束入射的照明条件，微调Z轴使图像正焦.

(2)增大欠焦量，寻找感兴趣区域.在标准聚焦值下调节好共心高度，这时候像衬度低，在200、300 kV下，肉眼难以分辨荧光屏上的样品衬度，尤其是低原子序数样品.提高像衬度的常规方法是加入物镜光阑.但该操作需要对物镜光阑进行机械合轴，对初级用户而言操作技术难度相对较高，若调节不当轻则影响光路，重则引起硬件受损，仪器加速老化.因此，在入门操作中，通过增加欠焦量的方式提高像衬度.将物镜欠焦量defocus调节至-5 μm左右，样品衬度特征明显，便于操作者寻找及定位感兴趣区域，但是，在该离焦条件下，损失了部分图像分辨率，在后续操作中需离焦值归零并精细调焦.

(3)欠焦量归零，使用charge coupled device(CCD)相机在电脑屏幕上精确调焦及拍摄.将欠焦量恢复至标准聚焦值，通过Z轴微调至样品衬度最弱后可直接使用CCD成像.此时焦距处于正焦附近，通过“欠焦-正焦-过焦”过程的菲涅尔条纹变化能有效地调节和判断焦距，精细调焦后便可获取高质量的形貌成像和部分样品的高分辨成像.

TEM形貌观察的基本操作中，常常需要定位感兴趣区域并调焦.使用离焦的方式提高衬度寻找样品，避免了机械调节物镜光阑，降低了操作难度及人为故障率.以标准聚焦值和共心高度作参考，初学者不会因离焦过多而无法把握聚焦方向和焦距.经30 min培训后，大部分用户均可顺利进行基本形貌观察和拍摄.

培训过程中，实验技术人员全过程指导监督，讲解操作技巧及深化仪器原理.学员操作时，及时纠错，给予有效正反馈.上机操作之余，通过系列讲座讲解成像原理、衍衬理论及晶体学理论，制作操作流程和实操短视频，为学员提供培训后的学习资源，巩固强化培训成果.入门培训学员积累操作机时满10 h，须参加理论笔试并使用盲样进行实操考核，考核合格的用户方可自主操作.为确保图片数据质量，工作日时间由实验技术人员从旁监控TEM实际运行状态并适时调整光路合轴.对于非工作时间产出的图像数据，实验技术人员离线检查图像欠焦量、象散及强度直方图等参数，对图片质量详细评价并反馈用户，指导其优化成像条件.通过培训前教案准备、培训流程严格把控、培训后考试考核并查缺补漏，既保证透射电镜的测试质量，使用户获得理想的图片数据，又培养用户独立使用科研工具，促进用户电子显微学技术的应用和研究水平[6].

快速入门培训方式突出实用性，培训时长与用户的测试需求相匹配，有效缩短了培训周期，增加了自主操作用户数量，提升了TEM共享开放机时.我中心每年培训师生约40人，近5年共有12人获得高级用户资格.中心现有三台TEM的开放机时拓展至午间、晚间以及部分周末.与开展快速入门培训前相比，日均开放机时数提升约36%.综上所述，快速入门培训为用户提供了自主上机操作机会，用户积累了操作机时和经验，在使用TEM过程中发挥主观能动性，由被动接受测试结果向主动获取转变，起到科研人员的主导作用，既实现了TEM共享开放，又有利于高质量人才培养[6].

需要指出的是，快速入门培训并不能代替由常规培训所获得的电子光路合轴和表征技术原理专业知识.为提升开放度和保证测试质量，在完成形貌观察的入门培训流程后，需根据使用者的机时积累、使用情况及理论考核水平[7]，循序渐进地加入更换样品、电子衍射拍摄、高分辨像拍摄、扫描透射分析、能谱分析和电镜合轴等进阶操作.进阶用户经实际操作考核合格后，可申请非工作时段的自主操作测试.将快速培训与分层次、分权限开放使用相结合，方可达到有效利用机时资源、提升透射电镜使用率的目的[8-9].

3 结语

近年来，随着电子显微技术的发展，TEM越来越受到科研人员的重视，用途日益广泛.高校公共平台的TEM样品量日趋增多，测试量大.简便有效的TEM入门培训方式，为用户提供了更多TEM的操作机会和机时积累，仪器的使用率和机时利用率得到有效提高，既发挥了TEM的测试功能，实现了有效的开放共享，又提高了用户电子显微学技术的应用和研究水平，为学校科研工作和人才培养提供支撑.