测量厚度显微镜

原位电镜（in situ transmission electron microscopy）是一种在电子显微镜下实时高空间分辨率观察和记录材料或样品在不同条件下变化的技术，这种技术的应用涵盖了多个领域，包括材料科学、纳米科技、生物学等。特别是得益于气体和液体环境的引入，大大的拓展了原位电镜技术的应用范畴，如腐蚀科学和催化反应等。电子显微镜本身具有非常高的真空工作环境，因此，气相和液相反应介质通常被密封在一个非常小的纳米反应器里面。由于氮化硅（SiNx）具有易于微纳米制造且在一定厚度下仍有可靠的力学特性及适度的电子透明度等优点，被广泛应用于原位电镜中芯片用的密封膜材料。在过去20年，基于像差校正器、单色器及直接探测器等硬件技术的发展，电子显微镜本身的性能包括空间和能量分辨率都得到显著提升。但是原位电子显微学直到目前为止，在空间分辨率上并无显著突破。关键原因是作为密封的SiNx膜材料限制了电镜本身及原位实验的品质因子。目前商用的SiNx膜的厚度一般为50 nm，而气相和液相电子显微学一般需要用两个原位芯片，这样仅密封膜的厚度就高达100 nm。如此厚的密封膜会造成非常高的有害电子散射，大大降低了原位电子显微学实验中采集的各种数据的信噪比。在原位电子显微学领域，学者们都一直认为降低SiNx膜的厚度非常必要，但是直到目前仍很难实现，因为仅通过刻蚀降低SiNx膜厚度，会造成力学性能的显著恶化。针对此问题，美国西北大学的Xiaobing Hu和Vinayak Dravid教授研究团队从自然界蜂窝结构稳定性获得灵感，巧妙利用掺杂浓度对Si的刻蚀速率影响，在观察窗口区域引入了额外的微米尺度Si支撑图案，成功的将SiNx膜的厚度从50 nm降至10 nm以下。这种在窗口区域具有支撑图案的超薄原位芯片具有很多优点，如优异的力学性能、耐电子束辐照、充分大的可观察区域，保证了该超薄芯片在原位电子显微学上的广泛应用。基于Pd的储氢特性，作者系统了探索了超薄芯片对原位实验测量品质因子的影响，及Pd纳米颗粒的吸/析氢行为。图1. 超薄原位电镜用芯片的制备及其优异的力学稳定性和电子束耐辐照性能，插图A、C中标尺分别为10 mm, 100 μm图1A显示超薄芯片的制备过程，图1B显示了具有不同厚度的SiNx窗口的原位芯片。图1C的扫描透射模式下的暗场和明场像显示出超薄芯片窗口区域的蜂窝状特征。图1D显示出这种超薄芯片优异的力学特性，即使在5 nm厚的情况下，仍能承受1个大气压，完全满足绝大多数的气相原位实验。图1E显示出超薄芯片非常好的耐电子束辐照特性，当厚度从50 nm降到10 nm时，临界电子束剂量几乎没有改变。图1E为用光学方法和电子能量损失谱测量的不同厚度的SiNx膜数据。图2. 基于超薄原位芯片的气相电子显微学实验品质因数的显著提升图2A为理论模拟不同厚度的SiNx对Au纳米颗粒明场像信噪比的影响，对于超薄原位芯片而言，即使在电子剂量比较低的情况下，仍可以拥有很好的信噪比，成像质量比较高。图2B、C显示出在一个大气压的Ar环境不同SiNx膜厚度下的高分辨像对比。可以看出与常规50 nm厚的原位芯片相比，超薄芯片的应用不仅提高了图像的信噪比，分辨率也从2.3 Å提高到1.0 Å。图2C显示出了能谱对比结果，可以看出在一个大气压的Ar环境下，当原位芯片窗口区域膜厚度从50 nm 降低到10 nm时，Ar/Si峰值比从0.59%升到8.3%，提高了14倍以上。图2E-G数据显示了超薄原位芯片显著提高了电子能量损失谱分析的灵敏度。图3. 基于超薄原位芯片电子显微学在储氢材料中应用图3A、3B为在不同支撑载体下纳米Pd颗粒的电子衍射对比图，可以看出超薄芯片显著压制了膜材料本身的有害电子散射，提高的电子衍射的信噪比。而这也允许研究人员在原位气相实验中进行定量衍射分析。图3C-D的原位电子衍射，显示出Pd纳米颗粒在原位充氢、放氢过程中的相变行为。图3E的电子能量损失谱分析确认了相变产物PdHx的产生。基于气相超薄原位芯片的设计与探索实验，作者提出这种超薄芯片的设计策略可大规模推广到液相原位及其它基于SiNx的原位芯片上，大大提高原位电子显微学实验的品质因子，从而允许研究人员在原位实验过程中不单单观察形貌变化，可将其它先进电子显微学方法应用到原位实验上来。更进一步，这种超薄芯片也可拓展到原位X射线领域。可以说，超薄芯片的概念提出，将大大的影响整个原位实验领域。这一成果近期发表在Science Advances上，美国西北大学胡肖兵研究副教授，Vinayak Dravid讲席教授为文章的通讯作者，Kunmo Koo博士为文章的第一作者。

在现代工业生产中，瓶口边厚仪作为一种关键的质量控制设备，广泛应用于医药、化工、食品等多个领域，尤其在玻璃瓶、塑料瓶等包装容器的生产中发挥着至关重要的作用。本文将深入探讨瓶口边厚仪的工作原理、所采用的技术或原理。一、瓶口边厚仪的工作原理概述瓶口边厚仪是一种高精度测试设备，主要用于测量玻璃瓶或塑料瓶瓶口边缘的厚度。其工作原理基于机械接触式测量技术，通过精确的传感器和数据处理系统，实现对瓶口边缘厚度的准确测量。该设备不仅具有高度的测试准确性和重复性，还能在不对被测物体造成损伤的情况下完成测量，确保测试结果的可靠性。二、机械接触式测量技术详解1. 探头组件与传感器的作用瓶口边厚仪的核心部件包括探头组件和传感器。探头组件通常采用碳纤维等轻质高强度材料制成，确保在测量过程中既能稳定接触瓶口边缘，又不会对瓶子造成损伤。传感器则负责将探头接触到的物理信号（如位移、压力等）转换为电信号，供后续数据处理系统分析。2. 信号处理与显示转换后的电信号经过信号放大器放大后，进入数据处理系统。该系统利用先进的数字信号处理技术，对信号进行滤波、去噪、线性化等处理，最终得出瓶口边缘的厚度值。测量结果通过数字显示屏实时显示，便于操作人员读取和记录。三、高精度测量的实现1. 精密的机械结构设计为了实现高精度的测量，瓶口边厚仪的机械结构设计十分精密。探头组件与瓶口边缘的接触点需保持恒定且均匀的压力，以确保测量结果的准确性。同时，设备的整体结构需具备较高的刚性和稳定性，以抵抗外界干扰和振动对测量结果的影响。2. 先进的测量算法除了精密的机械结构外，瓶口边厚仪还采用先进的测量算法对信号进行处理。这些算法能够自动校正测量过程中的系统误差和随机误差，提高测量结果的精度和稳定性。同时，算法还能实现数据的实时处理和统计分析，为质量控制提供有力支持。四、非接触式测量技术的探索虽然机械接触式测量技术在瓶口边厚测量中占据主导地位，但非接触式测量技术也在不断发展和探索中。例如，基于激光或超声波的非接触式测量技术具有不损伤被测物体、测量速度快等优点，但其在瓶口边厚测量中的应用还需进一步研究和验证。五、应用实例与市场需求1. 医药行业的应用在医药行业中，瓶口边厚仪被广泛应用于药品包装容器的质量检测中。通过测量瓶口边缘的厚度，可以评估包装容器的密封性、耐压性等关键性能指标，确保药品在储存和运输过程中的安全性和有效性。2. 化工行业的需求化工行业对包装容器的要求同样严格。瓶口边厚仪在化工瓶罐的生产过程中发挥着重要作用，通过测量瓶口边缘的厚度，可以及时发现并纠正生产过程中的偏差和缺陷，提高产品的整体质量和市场竞争力。3. 市场需求与未来展望随着工业生产的不断发展和消费者对产品质量要求的不断提高，瓶口边厚仪的市场需求将持续增长。未来，随着技术的不断进步和创新，瓶口边厚仪将更加智能化、自动化和便携化，为各行各业提供更加高效、准确的质量控制手段。六、结语瓶口边厚仪作为现代工业生产中的重要质量控制设备，其工作原理和技术特点决定了其在多个领域中的广泛应用和重要地位。通过不断的技术创新和产品优化，瓶口边厚仪将不断提高测量精度和稳定性，为企业的质量控制和市场竞争提供有力支持。同时，我们也期待非接触式测量技术在瓶口边厚测量中的进一步发展和应用，为工业生产的智能化和自动化注入新的活力。

近日，由中国航天科技集团有限公司中国乐凯研究院起草的国家标准GB/T 42674-2023《光学功能薄膜 微结构厚度测试方法》正式实施。(文末附下载链接)该标准规定了通过扫描电子显微镜（SEM）检测光学功能薄膜横截面微结构厚度的方法，适用于微米、纳米级光学功能薄膜各功能层微观结构测试。这是我国首个覆盖光学功能薄膜全领域的微米-纳米级各功能层微观结构的测试标准。该标准的制定与实施，对于准确测定光学功能薄膜微结构厚度、规范行业测定方法、促进行业发展具有重要意义。GB/T 42674-2023《光学功能薄膜 微结构厚度测试方法》详细内容标准下载链接：https://www.instrument.com.cn/download/shtml/1198352.shtml