一种利用具有多孔阵列结构的软模板制备多孔碳膜透射电镜载网的方法

本发明涉及材料领域，具体涉及的是一种利用具有多孔阵列结构的软模板制备多孔碳膜透射电镜载网的方法。

背景技术：

1、利用透射电子显微镜对生物样品材料进行形貌表征时，负载样品的透射电镜载网的质量对样品表征结果的影响至关重要。然而目前国内高质量透射电镜载网的批量化制备技术尚不成熟，科研所需的透射电镜载网仍高度依赖进口透射电镜载网。进口载网不仅价格昂贵，同时交货周期长，阻碍科研工作的顺利开展。

2、为解决透射电镜载网对进口载网的高度依赖，高质量透射电镜载网的批量化制备方法不可或缺。利用热蒸镀或磁控溅射技术在带有微阵列孔的硬质硅模板上沉积金属膜或非晶合金膜的工艺路线（专利号cn201810326897.5，cn202110333466.3）能够有效实现具有多孔阵列结构的金属膜或合金膜透射电镜载网的制备，并支持后续转移石墨烯等支持膜以满足更高的科研需求。然而常见金属膜（如多孔金膜）为多晶膜，不利于高分辨透射电镜成像时聚焦和消像散的需求；非晶合金膜载网的制备则对仪器提出了很高的要求，同时具有多孔阵列结构的非晶合金膜也难以实现大面积制备与转移。

3、目前，具有多孔阵列结构的碳膜载网仍是透射电镜领域最常使用的载网种类。一方面，由于多孔碳膜是非晶态，能够满足高分辨透射电镜成像时对消像散的需求；另一方面，碳元素较金属元素的相对原子质量更小，在电镜下衬度较低，对样品成像的干扰相对较小。然而，高质量多孔碳膜透射电镜载网的制备工艺在国内严重欠缺，虽有利用具有多孔阵列结构的芳华膜制备多孔碳膜透射电镜载网的工艺（专利号202010189490.x），然而该工艺生产效率较低，同时存在有机物残留，难以满足现阶段科研需求。因此，需要发展一种新型制备多孔碳膜透射电镜载网的方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种利用具有多孔阵列结构的软模板制备多孔碳膜透射电镜载网的方法，有效实现了多孔阵列结构均匀完整的高质量碳膜透射电镜载网的制备。该方法简单易行，可重复度高，并具有普适性；所得多孔碳膜透射电镜载网的网格结构质量优异，具备批量化制备的潜力，同时可直接用于符合透射电镜制样要求的石墨烯电镜载网的制备，后者可用于冷冻电镜单颗粒三维结构解析以及纳米颗粒、单原子的高分辨成像。

2、本发明首先提供了一种具有多孔阵列结构的碳膜透射电镜载网的制备方法，包括以下步骤：

3、（1）将具有多孔阵列结构的软模板转移至透射电镜载网网格表面，得到具有多孔阵列结构软模板的透射电镜载网；

4、（2）在所述具有多孔阵列结构软模板的透射电镜载网表面沉积碳膜，得到具有多孔阵列结构碳膜的电镜载网网格；

5、（3）去除所述具有多孔阵列结构碳膜的电镜载网网格中的软模板，得到所述具有多孔阵列结构的碳膜透射电镜载网。

6、上述的制备方法中，所述具有多孔阵列结构的软模板为具有多孔阵列结构的金属软模板或具有多孔阵列结构的光刻胶软模板；

7、所述透射电镜载网网格的材质为金、铜、镍或氮化硅；

8、步骤（2）中，所述碳膜的厚度为20~50 nm；具体可为30 nm或35 nm。

9、上述的制备方法中，所述透射电镜载网网格的规格为200～3000目，具体可为300目。

10、上述的制备方法中，所述具有多孔阵列结构的金属软模板的材质为易被刻蚀的非惰性金属元素；具体可为铜、镍等；

11、所述具有多孔阵列结构的光刻胶软模板为正性光刻胶或负性光刻胶；

12、所述具有多孔阵列结构的软模板的厚度为30~1000 nm；具体可为50 nm或800 nm。

13、上述的制备方法中，所述多孔阵列结构的图案为圆孔；具体的，所述圆孔直径可为0.1~5 μm，具体可为0.8~1.2 μm；圆孔图案周期为0.2~10 μm，具体可为2.5 μm。

14、上述的制备方法，步骤（1）中，所述具有多孔阵列结构的软模板转移至透射电镜载网网格表面的方法包括如下步骤：

15、s1、将所述具有多孔阵列结构的软模板转移至盛有水的容器的水面上；

16、s2、将所述透射电镜载网网格经等离子亲水化处理后，逐一摆放在所述容器底部；

17、s3、控制液面匀速下降，调整所述具有多孔阵列结构的软模板位置，直至所述具有多孔阵列结构的软模板与所述透射电镜载网网格平整接触结合；得到所述具有多孔阵列结构软模板的透射电镜载网。

18、上述具有多孔阵列结构的软模板转移至透射电镜载网网格表面的方法中，所述具有多孔阵列结构的软模板与所述透射电镜载网网格平整接触结合后还有干燥的步骤；具体的，所述干燥为常温避光通风干燥。

19、上述的制备方法中，可选的，在所述盛有水的容器底部摆放一张滤纸，再将所述透射电镜载网网格逐一摆放在所述滤纸表面；可选的，借助镊子调整所述具有多孔阵列结构软模板位置，使其始终位于所述透射电镜载网网格正上方。

20、上述的制备方法，步骤（2）中，采用热蒸镀或磁控溅射的方法制备碳膜；

21、具体的，所述热蒸镀的条件如下：

22、蒸镀碳源为碳棒、碳丝或碳绳；

23、蒸镀真空度为10-2~10-4pa；具体可为10-3pa；

24、蒸镀电流为30~75 a；具体可为55 a或60 a。

25、上述的制备方法中，可选的，调节蒸碳过程次数，可调节具有多孔阵列结构碳膜的厚度。

26、步骤（3）中，去除所述具有多孔阵列结构碳膜的电镜载网网格中的软模板的方法包括：将所述具有多孔阵列结构碳膜的电镜载网网格浸泡在刻蚀试剂中去除软模板；具体的，所述浸泡的时间为1~3 min，更具体可为2 min。

27、上述的制备方法，根据软模板种类选择合适的刻蚀试剂；具体的，去除金属软模板的刻蚀试剂根据金属种类可为盐酸溶液、过硫酸铵溶液或三氯化铁溶液中的一种或几种；去除光刻胶软模板的刻蚀试剂可为n-甲基-2-吡咯烷酮、氮乙基吡咯烷酮、丙酮和异丙醇中的一种或几种。

28、上述的制备方法，步骤（1）中，所述具有多孔阵列结构的软模板的制备方法包括如下步骤：在硬质模板表面上制备具有多孔阵列结构的金属软模板或在硬质衬底表面上制备具有多孔阵列结构的光刻胶软模板；将所述具有多孔阵列结构的金属软模板从硬质模板表面剥离或将具有多孔阵列结构的光刻胶软模板从硬质衬底表面剥离；

29、具体的，剥离时，所述具有多孔阵列结构的软模板的倾角为20~60度，具体可为30~45度；分离速度可为0.05~0.5 cm/s，具体为0.1 cm/s。

30、所述硬质模板与金属软模板之间有一层牺牲层，所述牺牲层为偏磷酸钠、氯化钠和氯化钾中的至少一种；所述牺牲层的厚度可为10~500 nm，具体为20-100 nm；

31、所述硬质衬底与光刻胶软模板之间有一层牺牲层，所述牺牲层可为铜、镍等非惰性金属基底中的一种或几种；所述牺牲层厚度可为100~1000 nm，具体可为200 nm。

32、剥离所述具有多孔阵列结构的软模板的试剂可根据软模板材质选择去离子水、盐酸、过硫酸铵溶液或三氯化铁溶液中的一种或几种。

33、所述硬质模版或硬质衬底尺寸可为1~12英寸，具体可为4英寸。

34、所述硬质模版或硬质衬底的材料为石英、蓝宝石、硅片或氮化硅。

35、上述的制备方法中，步骤（3）中去除所述具有多孔阵列结构碳膜的电镜载网网格中的软模板后还有洗涤和干燥的步骤；具体的，所述洗涤的试剂可为异丙醇、丙酮和水中的一种或几种。

36、所述洗涤为将样品浸泡在所述试剂中；具体的，浸泡时间可为1~3 min，具体可为2min。

37、所述干燥的环境为常温常压，干燥时间可为2~10 min。

38、本发明进一步提供了上述制备方法制备得到的具有多孔阵列结构的碳膜透射电镜载网。

39、上述具有多孔阵列结构的碳膜透射电镜载网在透射电镜载网制备或低温冷冻电镜中的应用也属于本发明的保护范围。

40、本发明具有如下优点：

41、（1）本发明工艺简单，能够实现晶圆级大面积具有多孔阵列结构的软模板的制备，制备得到的软模板质量优异，且重复度好，平行度高，具有大规模批量化制备潜力；

42、（2）本发明利用周期性多孔阵列结构软模板制备具有多孔阵列结构碳膜的完整度好，平整度高，且良品率和生产效率满足大规模批量化制备要求；

43、（3）本发明解决了国内高质量具有多孔阵列结构的碳膜透射电镜载网制备中的瓶颈技术问题，同时相较于商用载网，本发明制备出的具有多孔阵列结构的碳膜透射电镜载网更加平整，起伏更小；

44、（4）本发明制备的多孔阵列结构碳膜透射电镜载网达到商用标准，可实现透射电镜载网的批量化制备。