透射電子顯微鏡樣品制備

1、透射電子顯微鏡樣品制備技術(shù),東北大學(xué)新材料技術(shù)研究院 吳艷,前言,透射電鏡樣品制備在電子顯微學(xué)研究工作中起著至關(guān)重要的作用，是非常精細(xì)的技術(shù)工作。要想得到好的TEM結(jié)果，首先要制備出好的薄膜樣品。常規(guī)制備方法很多，例如：化學(xué)減薄、電解雙噴、解理、超薄切片、粉碎研磨、聚焦離子束、機(jī)械減薄、離子減薄，這些方法都能制備出較好的薄膜樣品。目前新材料的發(fā)展對樣品制備技術(shù)提出了更高的要求， 制備時間短，可觀察的薄區(qū)面積更

2、大，薄區(qū)的厚度更薄，并能高度局域減薄。,透射電子顯微鏡樣品的分類,粉末樣品塊體樣品：用于普通微結(jié)構(gòu)研究。塑性材料脆性材料薄膜樣品平面樣品：Plane View（PV）用于薄膜和表面附近微結(jié)構(gòu)研究。截面樣品：Cross-Section（CS）用于薄膜和界面的微結(jié)構(gòu)研究。高分子、生物樣品納米材料：粉末，纖維，納米量級的材料,透射電鏡制樣設(shè)備,Gatan 601 超聲切割機(jī),Gatan 樣品加熱臺,Gatan 691

3、 精密離子減薄儀,Gatan 656 凹坑儀,一、粉末樣品的制備,1. 粉碎研磨法 將（研磨后的）粉末放在無水乙醇溶液里，用超聲波震蕩均勻后滴在微柵上，干燥后進(jìn)行透射電鏡觀察。2. 樹脂包埋法 理想的包埋劑應(yīng)具有：高強(qiáng)度，高溫穩(wěn)定性，與多種溶劑和化學(xué)藥品不起反應(yīng)，如丙酮等，常用的幾種包埋劑：G-1，G-2，610，812E。3. 超薄切片后氬離子轟擊法,粉碎研磨法,流程圖：,粉碎研磨法,注意事項溶液濃度不要太

4、大，一般溶液顏色略透明即可（部分黑色物質(zhì)，如石墨，顏色可稍深）；洗去樣品中的表面活性劑，否則會因碳污染影響觀察；選擇合適的支持膜；特殊分散劑請向?qū)嶒炄藛T說明。,支持膜,支持膜,TEM制樣時，為了確保樣品能夠搭載在載網(wǎng)上，會在載網(wǎng)上覆蓋一層有機(jī)膜，稱為支持膜。樣品接觸載網(wǎng)支持膜時，會很牢固的吸附在支持膜上，不至于從載網(wǎng)的空洞處滑落，以便在電鏡上觀察。在支持膜上噴碳提高支持膜的導(dǎo)電性，達(dá)到良好的導(dǎo)電效果。普通碳膜：膜厚度為7-10

5、納米。銅網(wǎng)噴碳的支持膜，有時簡稱：銅網(wǎng) (支持膜)，方華膜.微柵：膜厚度為15-20納米，在膜上制作出微孔，以便使樣品搭載在微孔邊緣，使樣品“無膜”觀察，提高圖象襯度。觀察管狀、棒狀、納米團(tuán)聚物效果好，特別是觀察這些樣品的高分辨像時更是最佳選擇。超薄碳膜：在微柵的基礎(chǔ)上疊加了一層很薄的碳膜，一般為3-5納米。這層超薄碳膜的目的是用超薄碳膜把微孔堵住。主要針對分散性很好的納米材料。如10納米以下分散性很好的納米材料，如果用微柵可能

6、從微孔中漏出，如果在微柵孔邊緣，由于膜厚可能會影響觀察。所以用超薄碳膜就會得到很好的效果。,樹脂包埋法,包埋后的粉末樣品(光學(xué)顯微鏡觀測),超薄切片后離子減薄的結(jié)果,二、塊體樣品,為什么要制樣？ 透射電子束一般能穿透厚度為100nm以下的薄層樣品; 透射電鏡樣品臺只可以放入直徑3mm的圓片。TEM塊體樣品的制備其實是個材料加工成型的過程,要充分考慮材料本身的特性。,二、塊體樣品,送樣要求：厚度0.2~0.3

7、mm，10mm見方的薄片。建議：可以將樣品用線切割、砂紙磨等方式處理成上述薄片。,塊體樣品制備工藝示意圖,,可以用超聲切割儀，沖壓機(jī)獲得Ф3mm圓片，也可以用其它方法，把樣品切成小塊，無論是長方形還是方形對角線不超過3mm，長邊2.5mm即可。,,,80μm,（二）塑性樣品制樣流程示意圖（金屬及其合金等）,1. 切割,目的：獲得φ3mm的圓片,圓片切割機(jī)以一定的頻率，在樣品上震動管狀切割工具。通過這種高頻的震動，能夠使泥漿中的研磨顆粒

8、作用于樣品。這種動作可以切割一個 圓形壓痕，直到從樣品切割下圓片。,用于陶瓷、半導(dǎo)體等堅硬/脆性的材料,2. 單面拋光,把φ3mm 圓片一面研磨后再拋光，為凹坑樣品做準(zhǔn)備。,Gatan 623 手動研磨盤,2. 單面拋光,手工平磨時，應(yīng)采用不斷變換樣品角度，或者沿“8”字軌跡的手法，可以避免過早出現(xiàn)樣品邊緣傾角。,依次用粒度p1000→P1500→ P2000的砂紙研磨，之后用1μm金剛石拋光膏拋光。,2. 單面拋光,簡單的平面磨可以產(chǎn)

9、生大面積的薄區(qū)，但卻使樣品過于脆弱，很容易損壞，以我們的經(jīng)驗，一般Si材料可以平磨到50μm左右，對脆性材料可適當(dāng)增加厚度。樣品磨的越薄，使用的砂紙型號越大（砂粒越細(xì)），注意每更換一次砂紙用水徹底清洗樣品。磨下去原始厚度的一半時拋光，拋光后用水清洗干凈，再用無水乙醇棉球擦干，就可以翻面磨另一面。最終厚度控制在80μm以內(nèi)。,3. 凹坑,凹坑的意義 在制備高質(zhì)量的電鏡樣品時，需要樣品有大面積薄區(qū)，還要有厚度的變化支持，為了

10、達(dá)到這樣的效果需要對樣品進(jìn)行釘?。ò伎樱?，凹坑儀可以將樣品的中心部減薄至幾個微米的厚度，縮短了離子減薄的時間，它適用范圍非常廣泛，金屬材料、陶瓷、半導(dǎo)體、復(fù)合材料超導(dǎo)材料等。,3. 凹坑,要求：對拋光后的樣品的另一面進(jìn)行機(jī)械預(yù)減薄至80μm。 對圓片中間凹坑，使樣品中間厚度減至 10~30μm。優(yōu)點：增大薄區(qū)面積； 準(zhǔn)備定位減薄位置。,Gatan 656 凹坑儀,3. 凹

11、坑,凹坑示意圖,3. 凹坑,凹坑可用兩種類型的輪子：研磨輪、拋光輪,3μm 拋光輪粗拋光,0.05μm的氧化鋁拋光膏精拋光,6μm金剛石研磨膏研磨,3. 凹坑——釘輪直徑和樣品深度的關(guān)系,在離子減薄中，因為離子束的入射角很小，所以要注意釘薄后樣品的邊緣可能會擋住樣品的中心部分。釘輪直徑（D），釘薄區(qū)域（2r）和釘薄深度（d）的關(guān)系近似為：d≈r²/D典型的一個3mm直徑樣品的邊緣寬0.4mm，釘薄區(qū)域的直徑為2.2mm

12、，離子減薄時離子束入射角用4°，樣品的最大釘薄深度：1.1mm×tan4°=77（μm）。因此樣品的釘薄深度不能大于77微米，否則離子束打不到樣品中心。,釘輪直徑和釘薄深度的關(guān)系,不同的釘輪直徑可獲得的釘薄深度不同,10mm直徑的釘輪，釘薄的深度大于77μm一般不用。15mm直徑的輪子在實踐中效果不錯。,釘薄前樣品的最佳厚度,起始樣品厚度應(yīng)是釘薄深度加上4倍的損傷層厚度，粘上環(huán)的樣品應(yīng)把環(huán)的厚度考慮在內(nèi)。

13、,凹坑——小結(jié),很明顯隨著釘輪直徑的增加，起始樣品的厚度應(yīng)逐漸減小，大的釘輪直徑可以獲得大面積的薄區(qū)，但會使樣品比較脆弱，容易損壞， 15mm直徑的輪子最大的釘薄深度不能大于77μm，否則會在以后的離子減薄中發(fā)生阻擋效應(yīng)。這是初學(xué)者必須知道的。,凹坑后的樣品,3. 凹坑,4. 離子減薄,目的：TEM樣品的最終減薄，以獲得電子束透明的觀察區(qū)域。特點：不受材料電性能的影響，即不管材料是否導(dǎo)電，金屬或非金屬或者二者混合物，不管材料結(jié)構(gòu)多復(fù)雜

14、均可用此方法制備薄膜。制樣時惰性氣體介質(zhì)（氬氣）對樣品組織結(jié)構(gòu)無影響。原理：在電場作用下氬氣被電離成帶Ar+的氬離子，帶著一定能量的氬離子從陽極飛向陰極，通過陰極孔，打在接地的樣品表面，使樣品表面濺射。,4. 離子減薄,注意事項：減薄開始階段，一般采用較高電壓，較大束流，較大角度，這個階段約占整個減薄過程的一半時間，隨后，電壓，束流，角度可相應(yīng)減小，直到樣品出孔，樣品出孔后，即可轉(zhuǎn)入樣品拋光階段，這階段主要是改善樣品質(zhì)量，使薄膜獲得

15、平坦而寬大的薄區(qū)。,4. 離子減薄,樣品臺,4. 離子減薄,基本流程,注意事項: 隨時觀察樣品的減薄情況。,4. 離子減薄,離子減薄后的NdFeB樣品,4. 離子減薄——影響樣品制備的因素,與儀器有關(guān)的 A、離子束電壓 B、離子束電流（氬氣的流量） C、離子束的入射角 D、真空度,與樣品有關(guān)的 A、樣品的種類（性質(zhì)） B、樣品的微結(jié)構(gòu)特點 C、樣品的初始表面條件 D、樣品的

16、初始厚度 E、樣品的安裝,離子減薄示例——截面樣品,減薄前表面狀態(tài)不好，造成的損傷,三、薄膜樣品,三、薄膜樣品,平面樣品的制備: 同塊體樣品制樣流程截面樣品的制備: 對粘+塊體制樣流程 1. 選樣品 2. 樣品的清洗處理 3. 加陪片（常用硅片）粘樣品或?qū)φ?4. 按照塊體樣品制備的步驟,截面樣品專用膠,G1 . G2 (Gatan公司),M-Bond600/610,G1膠的優(yōu)點：

17、 1）固化快130°5-10分鐘􀂾 2）保存時間長（室溫一年）􀂾 3）高溫穩(wěn)定性好：300°工作十幾個小時,400 °幾小時 （可在TEM 加熱臺上升溫）,三、薄膜樣品——截面樣品的制備,截面樣品的制備,切好的截面樣品重復(fù)平面樣品的制備工藝,當(dāng)樣品獲得理想厚度時用氬離子減薄樣品。,切好的截面樣品示意圖,三、薄膜樣品——截面樣品的制備,有些材料

18、不能直接制成薄膜樣品，往往采用復(fù)型技術(shù)把材料表面復(fù)制下來，制成復(fù)型膜，在電鏡上觀察。,用于復(fù)型制備材料的要求：（1）必須是非晶材料； （2）粒子尺寸必須很?。?#160;（3）應(yīng)具備耐電子轟擊的性能。,復(fù)型就是表面形貌的復(fù)制。通過復(fù)型制備出來的樣品是真實樣品表面形貌組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的薄膜復(fù)制品。主要復(fù)型方法有一級復(fù)型法，二級復(fù)型法，萃取復(fù)型法。一級復(fù)型是指在試樣表面的一次直接復(fù)型；二級復(fù)型是指在塑料一級復(fù)型上再制作碳復(fù)型；

19、萃取復(fù)型用于對第二相粒子形狀，大小和分布以及物相和晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，復(fù)型方法和碳一級復(fù)型類似。,復(fù)型樣品的制備,一級復(fù)型,一級復(fù)型主要分為塑料（火棉膠）一級復(fù)型和碳膜一級復(fù)型，以及氧化膜復(fù)型。一級塑料復(fù)型是對樣品表面形貌的簡單的復(fù)制，它表面的形貌與樣品的形貌剛好互補(bǔ)，所以稱之為負(fù)復(fù)型。其厚度可以小到100納米。,碳膜一級復(fù)型是一種正復(fù)型，它與塑料一級復(fù)型的區(qū)別是：  1.碳膜復(fù)型的厚度基本上相同，而塑料復(fù)型的厚度隨

20、試樣位置 而異。 2.塑料復(fù)型不破壞樣品；而碳膜復(fù)型破壞樣品（分離膜與樣品 時要電解腐蝕樣品）。 3.塑料復(fù)型因塑料分子較大，分辨率低（10-20nm)；碳離子直 徑小，碳膜復(fù)型分辨率高(2nm) 。,斷口復(fù)型,沿晶斷裂,疲勞輝紋,二級復(fù)型,在塑料一級復(fù)型的基礎(chǔ)上，垂直鍍上一層碳膜，然后用重金屬沿一定角度鍍到碳膜上，以增加復(fù)型的襯度；最后用丙酮將塑料溶解掉即可得到二級復(fù)

21、型樣品。,塑料－碳二級復(fù)型的特點： （1）制備復(fù)型時不破壞樣品的原始表面； （2）最終復(fù)型帶有重金屬投影； （3）襯度高，穩(wěn)定性、導(dǎo)熱電性好； （4）分辨率低，與一級塑料復(fù)型相當(dāng)； （5）膜的厚度薄。,圖a是合金鋼回火組織的二級復(fù)型照片，可以清楚地看到回火組織中析出的顆粒狀碳化物；圖b是低碳鋼冷脆斷口的二級復(fù)型照片，可以看到解理斷口上的河流花樣。,萃取復(fù)型,用于對第二相粒子形狀

22、、大小和分布以及物相和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，復(fù)型方法和碳一級復(fù)型類似。,首先將存在第二相析出相的樣品深腐蝕，以使第二相裸露出來，然后在樣品上鍍上一層碳膜，最后用電解腐蝕的方法，除去樣品基體，得到的就是只有碳膜和第二相粒子的萃取復(fù)型樣品。,復(fù)型試樣襯度的改善,對于復(fù)型試樣來說，其襯度來源主要是質(zhì)厚襯度。復(fù)型膜試樣雖有一定的厚度差別，但由于整個試樣的密度一樣，所以僅由厚度差別引起的襯度很小?？赏ㄟ^以一定的角度在復(fù)型膜上蒸鍍一層密度大的金屬，

23、增加試樣形貌不同部位的密度差，則能大大改善圖象的襯度，使圖象層次豐富，立體感強(qiáng)。這種方法稱為重金屬投影技術(shù)。如圖：,碳膜復(fù)型厚度基本相同,,制樣幾點說明,對具有毒性、腐蝕性、刺激性、易燃、易爆、放射性、磁性等對人員 和儀器有害的樣品（包括溶劑和分散介質(zhì)）作出說明。電子束照射樣品所產(chǎn)生的溫度很高，為保證燈絲具有較長的壽命，以及 鏡筒和各級透鏡的潔凈，對檢測樣品有一定的要求。低熔點的材料如錫、 鉬等會產(chǎn)生相變和蒸鍍效應(yīng)以及在電子束照射下