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1、第二章 透射电子显微镜样品的制备方法,2.1 表面复型技术2.1.1 一级复型2.1.2 塑料碳二级复型2.1.3 抽取复型2.2 粉末样品和薄膜制备2.2.1 粉末样品2.2.2 薄膜样品的制备2.3大块晶体样品制成薄膜的技术2.3.1金属块体制成薄膜样品2.3.2无机非金属块体制成薄膜样品2.3.3 高分子块体制成薄膜样品2.3.4 聚焦离子束方法,第二章 透射电子显微镜样品的制备方法,本章要点1.复型技术基本过时，但萃取复型对析出相的研究和二级复 型对无损大件断口上的研究仍具特点；2.截面样品能提供许多丰富和重要的信息，因此，对具有复 杂过程的截面样品制备方法的掌握就非常重要；3.块体样
2、品，包括金属和无机非金属样品制成电子显微镜观 察的薄膜样品，双喷电解抛光技术和离子减薄技术是关键；4.对于层状结构的材料和脆性的半导体材料可采用解理法制备 薄膜样品；5.聚焦离子束是一种新型的制备薄膜样品的方法，它可实现对 样品特定微区进行TEM制样，尽管仪器昂贵，但逐步被用户 认可。,2.1 表面复型技术,透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是“透明的”。电于束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压和样品物质原子序数。加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透样品厚度就越大，如图2.1所示。对于透射电子显微镜常用的加速电压100 kV，如果样品是金属，
3、其平均原子序数在Cr的原子序数附近，因此适宜的样品厚度约200 nm。,图2.1 可穿透厚度t与加速电压U的关系,2.1 表面复型技术,显然，要制备这样薄的金属样品不是一件轻而易举的事情。因此，当透射电子显微镜诞生后，首先被应用于观察医学生物样品，而金属样品，遇到的困难就是样品制备问题。20世纪40年代初期才出现了“复型”技术，即把金相试样表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制薄膜（叫做“复型”）放到透射电子显微镜中去观察分析，这样才使透射电子显微镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。,2.1 表面复型技术,用于制备复型的材料本身必须是“无结构”的（或“非晶体”
4、的），也就是说，要求复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，它们都是非晶体。根据复型所用的材料和制备方法，常见的复型有以下四种：塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型和抽取复型（萃取复型），如图2.2所示。,2.1 表面复型技术,图2.2 四种常见的复型,(a) 塑料一级复型,(b) 碳一级复型,(c) 塑料-碳二级复型,(d) 抽取复型,2.1 表面复型技术,在应用复型技术研究材料表面形貌和显微组织时，为了得到好的复制效果，首先要注意制备好金相试样。金相试样表面必须仔细抛光，避免引起表层组织的变化。其次，要注意各种复型方
5、法对样品表面浮雕的复制能力，碳一级复型分辨率最高，可达2 nm；塑料分子尺寸比碳粒子大得多，约10 nm，所以只能复制大于这一尺寸的显微组织细节。塑料-碳二级复型的分辨率主要取决于第一级塑料复型，它的分辨率与塑料一级复型相当。另外，也应了解在透射电子显微镜下观察，对复型材料的要求。,2.1.1 一级复型,一级复型方法有三种：塑料，碳和氧化物复型。氧化物复型主要用于铝和铝合金，在电解减薄金属方法成熟之后已很少应用。一、塑料一级复型 塑料一级复型是最简单的一种表面复型，是用预先配制好的塑料溶液在已浸蚀好的金相试样上直接浇铸而成的。,表2.1 常用的塑料一级复型材料及其浓度,2.1.1 一级复型,塑
6、料一级复型的具体制备方法如下：用液滴管在金相试样表面放一滴塑料溶液，用清洁玻璃棒轻轻地将其刮平，静置干燥后形成厚度约100 nm的塑料薄膜。其浮凸与金相试样表面正好相反，故这种复型又称负复型；在透明胶纸上放几块略小于样品铜网（3 mm）的纸片，再在其上放置样品铜网，这样仅使其边缘粘贴在胶纸上。把贴有样品铜网的胶纸平整地压贴在已干燥的塑料表面，利用胶纸的粘性把塑料一级复型从金相试样表面干剥下来，如图2.3所示；用针尖或小刀在铜网边缘划一圈，将塑料薄膜划开，再用镊子把样品铜网连同贴附在它上面的塑料一级复型取下，即可放到透射电子显微镜中去观察。,2.1.1 一级复型,图2.3 塑料一级复型干剥方法1
7、纸片；2样品铜网； 3透明胶纸；4塑料一级复型；5金相试样,图2.4 珠光体组织的塑料一级复型电子像,2.1.1 一级复型,塑料一级复型制备成败的关键在于能否顺利地使复型从金相样品表面上剥离下来，为了防止塑料膜的破裂，必要时采用背膜增强。例如在Formvar复型膜干燥后，再在其上浇铸一层较厚的Collodion膜。当复合膜从金相试样表面剥离下来后，剪成略小于样品铜网的小方块，放在醋酸戊酯中把Collodion背膜溶解掉，最后用样品铜网把Formvar一级复型捞起后把它放在滤纸上，把水吸干即成。图2.4显示了用Formvar一级复型获得的珠光体组织的形貌。,2.1.1 一级复型,二、碳一级复型
8、碳一级复型是对已制备好的金相试样表面直接蒸发沉积碳膜制成的，蒸发碳膜的物质是光谱纯碳。具体制备方法如下： 在真空镀膜装置中，如图2.5(a)所示，以垂直的方向在已浸蚀好的金相试样表面上直接蒸发沉积一层厚度数十纳米的碳膜（简称喷碳）。 用针尖或小刀把喷过碳的金相试样表面划成略小于样品铜网的小方格，然后浸入适当的化学试剂中作第二次浸蚀或电解抛光，使碳膜与金相试样表面分离。 用样品铜网将碳复型捞起烘干即可放到透射电子显微镜中观察。,2.1.1 一级复型,图2.5 碳一级复型制备及其图像衬度,2.1.1 一级复型,图2.6 K-3镍基高温合金中相的碳一级复型图像,2.1.2 塑料-碳二级复型,塑料-碳
9、二级复型是目前最常用的复型方法之一，它兼有塑料一级复型和碳一级复型的某些优点。在材料研究领域内，它主要应用于金相组织和断口形貌的观察，尤其对断口样品，它比一级复型有更多的应用。,图2.7 塑料-碳二级复型的制备步骤,2.1.2 塑料-碳二级复型,塑料-碳二级复型制备方法如下：在经过浸蚀的金相试样（或不需浸蚀的断口试样）表面上放一两滴丙酮（或醋酸甲酯），然后贴上一小块醋酸纤维薄膜（简称AC纸，厚度约3080 m），如图2.7(a)所示。揭下已经干燥的塑料复型（即第一级复型），剪去周围多余的部分，然后将复制面朝上平整地贴在衬有纸片的胶纸上，如图2.7(b)所示。将固定好的塑料复型放在真空镀膜装置中
10、，先以倾斜方向“投影”重金属，再以垂直方向喷碳（即第二级复型），如图2.7(c)所示。,2.1.2 塑料-碳二级复型,把复合复型剪成略小于样品铜网的小方块，将生物切片石蜡（注意石蜡熔点42 左右为宜）溶化后滴在小玻璃片上，然后将小方块喷碳一面贴在烘热的小玻璃片上的石蜡上。待玻璃片冷却和石蜡凝固后，放到盛有丙酮或醋酸甲酯的有盖容器中，如图2.7(d)所示，将第一级复型慢慢溶解。 用铜网布制成的小勺把第二级复型转移到清洁的丙酮中洗涤（也可适当加热，保温15 min）；最后转移到蒸馏水中，依靠水的表面张力使第二级复型平展并漂浮在水面上，再用摄子夹住样品铜网把第二级复型捞起来如图2.7(e)，放到滤纸
11、上，干燥后即可供观察。,2.1.2 塑料-碳二级复型,塑料-碳二级复型的最大优点在于制备过程中不破坏金相试样原始表面，必要时可重复制备；由于第一级复型用较厚的塑料膜来制备，即使对粗糙的断口样品，剥离也比较容易，膜也不易损坏；供观察的第二级复型是碳膜，故导热导电性好，在电子束照射下较为稳定。图2.8中的相在样品上是凸的；而在图2.6中相的碳一级复型像则不能鉴别之。,图2.8 K-3镍基合金中相的二级复型电子像,2.1.3 抽取复型,抽取复型是对一级复型步骤稍加改进的方法，它就不仅能用复型显示样品表面浮凸而且可用膜抽取出某些细小的组成相，例如第二相粒子，并能保持它们在样品中原有的分布。它的最大优点
12、是这些小粒子除了能在透射电子显微镜下被观察其大小、形态分布之外，还能通过电子衍射的方法确定其物相。抽取复型可以用碳蒸膜也可以用塑料膜，目前常用碳蒸发膜，其具体制备方法如下:,2.1.3 抽取复型,选择合适的浸蚀剂，使其溶解样品的基体材料（如钢中的铁素体基体）比第二相粒子要快，以致这些粒子突出于样品表面；在深浸蚀过的金相试样表面上；蒸发沉积一层较厚的碳膜（20 m以上），然后用针尖或小刀把碳膜划成小于样品铜网的小方块。将喷碳、划过格的试样放到盛有浸蚀剂的器皿中进行第二次浸蚀（或进行电解抛光），使基体材料进一步溶解，这样使碳膜连同凸出试样表面的第二相粒子与基体分离。将分离后的碳膜转移到某种化学试剂
13、中洗涤，溶去残留的基体，最后移到酒精中去洗涤，用样品铜网捞起，干燥后即可供观察。,2.1.3 抽取复型,图2.9是奥氏体钢塑性断裂断口的碳抽取复型，断口上的微坑特征依稀可见。经电子衍射鉴定，被抽取的粒子是 (Cr,Fe)7C3型碳化物。,图2.9 奥氏体钢（0.3C，36Ni，1.0Cr）1473 K，1 h水淬1 173 K，30h水淬，在-77 K拉伸断裂，碳抽取复型，10 000,2.2 粉末样品和薄膜制备,2.2.1 粉末样品 粉末样品的制备包括支持膜的制备和粉末均匀分布于支持膜上的方法。对于细小的粉末或颗粒，因不能直接用电子显微镜样品铜网来承载，需在铜网上预先粘附一层连续而且很薄（约
14、2030 nm）的支持膜，细小的粉末样品放置于支持膜上而不致从铜网孔漏掉，才可放到电子显微镜中观察。较多使用的是火棉胶-碳复合支持膜。,2.2.1 粉末样品,制备方法如下：配制质量分数约为3%火棉胶的醋酸戊酯溶液。将一个直径大于100 nm的玻璃培养皿底部放一张滤纸，然后注入蒸馏水，再将铜网适距放在培养皿底部的滤纸上，铜网的粗糙面朝上。用滴管将火棉胶溶液滴一滴溶液进入蒸馏水中，火棉胶溶液瞬时在水面上展开，将浮在水面上的第一次膜除去，再制备第二次干净的膜，用吸管沿培养皿边缘伸入水中，将蒸馏水慢慢吸干，火棉胶薄膜随之下沉，最终吸附在含有铜网的滤纸上。将附着铜网和火棉胶的滤纸放在真空镀膜台中，喷一层
15、很薄的碳。用针尖划开铜网周围的膜和滤纸，即制成火棉胶-碳复合支持膜。,2.2.2 薄膜样品的制备,一、薄膜平面样品的制备直接制成可用于透射电子显微镜观察的薄膜样品有多种方法，如真空蒸发、磁控溅射、溶液凝固等方法。图2.10是Al-4%Cu(质量百分数)薄膜的TEM明场像。它是通过磁控溅射仪把Al-Cu靶上原子溅射到KCl基片上，然后将溅射后的KCl基片放入含有一点丙酮（减小表面张力，不致使Al-Cu膜破碎）的去离子水（或蒸馏水）中，待KCl溶解后，Al-Cu薄膜漂浮在水面上，然后用铜网捞起后待水分蒸发后，即可放入透射电子显微镜中观察。,2.2.2 薄膜样品的制备,图2.10 Al-4%Cu多晶
16、薄膜的TEM明场像,2.2.2 薄膜样品的制备,二、薄膜截面样品的制备用于TEM观察的截面样品（cross-sectional specimen）制备是个难点，薄膜的截面样品制备更困难。下面将介绍薄膜截面样品的制备方法，以此可推广到块体截面样品的制备。 制样过程具体描述如下：采用电火花线切割技术从沉积有薄膜的不锈钢基片上切割两个2 mm，长约10 mm的半圆柱，半圆柱的侧平面为膜面 图2.11(a)。,2.2.2 薄膜样品的制备,将外径3 mm，内径2 mm的不锈钢管（或纯铜管）截成10 mm长的小段，同一侧带有薄膜的半圆柱试样一起依次用丙酮和无水乙醇超声波清洗，以除去表面玷污。干燥后将半圆柱
17、试样的全部外表面和不锈钢管内表面涂上环氧树脂粘结胶，然后将两个半圆柱粘合成一个整圆柱插入不锈钢管中，并保证所有的粘合面都有粘结胶图2.11(b)。镶嵌好的试样按照所用环氧树脂的固化要求进行室温固化或加热固化。采用薄片砂轮切割机将固化后的试样切割成厚度约为0.3 mm的圆片 图2.11(c)。,2.2.2 薄膜样品的制备,用粒度为1030m的金相砂纸将试样从两面研磨至约0.1 mm厚。然后，同样采用环氧树脂，在试样的一面粘上一个外径相同而内径为1.5 mm，厚约为0.03 mm的专用Mo环并放置固化图2.11(d)。粘有Mo环的样品固化后，继续用金相砂纸将样品磨至0.05 mm厚（不含Mo环的厚
18、度）。采用0.1m的金刚石研磨膏，在凹坑研磨仪上对试样面进行研磨。在此工序中，20 mm的磨盘和与之垂直的样品台同时转动，在样品表面研磨出一个圆形的凹坑，最终使凹坑中央的试样厚度为约0.02 mm 图2.11(e)。,2.2.2 薄膜样品的制备,采用离子减薄仪对磨有凹坑的样品进行离子束刻蚀减薄。至此，用于TEM观察的薄膜截面样品就制备完成。,图2.11 薄膜TEM截面样品制备过程,取样,镶嵌,切割,粘环,凹坑研磨,2.2.2 薄膜样品的制备,图2.12 离子束减薄后的TEM截面样品光学显微形貌,低倍,高倍,2.3 块体样品制成薄膜的技术,2.3.1 金属块体制成薄膜样品 Heidenreich
19、于1949年用电解抛光方法首次制成铝薄膜，以金属材料本身制成的薄膜作为电子显微镜观察分析的样品解决了复型的局限性，它已成为直接观察和研究材料的晶体结构、晶体缺陷、显微组织、相变和形变过程以及它们之间内在联系的重要手段。用于透射电子显微镜观察试样的要求是：它的上下底面应该大致平行，厚度应在50500 nm，表面清洁。制备这样的薄膜除了可采用上述用真空沉积等直接制成薄膜的方法外，更普遍的情况是需由块体材料制成薄膜试样。,2.3.1 金属块体制成薄膜样品,由块体样品制成薄膜试样一般需要经历以下三个步骤：利用砂轮片、金属丝或用电火花切割方法切取厚度小于0.5 mm的“薄块”。对于陶瓷等绝缘体则需用金刚
20、石砂轮片切割。用金相砂纸研磨或采取化学抛光方法 ，把薄块预减薄到0.05mm0.1 mm左右的薄片。用电解抛光的方法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于500 nm的“薄膜”。,2.3.1 金属块体制成薄膜样品,表2.2 金属材料预减薄用的化学抛光配方,注：表中数据均为体积浓度。,2.3.1 金属块体制成薄膜样品,图2.13 电解抛光装置示意图,图2.14 磁力驱动双喷电解减薄装置原理1阴极；2样品夹座（阳极）；3喷嘴；4导光管；5转子；6马达；7冷却管,2.3.1 金属块体制成薄膜样品,表2.3 某些金属和合金最终减薄的电解抛光方法,注：W窗口法；B博尔曼法；J双喷电解抛光法,2.3.1 金
21、属块体制成薄膜样品,把大块试样成功地制成可观察的薄膜，最终的电解抛光是个关键。影响电解抛光质量的因素很多：电解液成分、浓度、抛光电压、温度和样品成分。如果制备的是一种新材料，必须通过试验来确定最佳电解抛光条件。抛光电压一般是根据预先测定的电压一电流曲线来确定，如图2.15所示。一般选择在曲线1中c点附近或比它稍高的电压。但是对某些材料（如不活泼材料作阳极），只能获得曲线2，这就给正确选择电流密度增添了困难。但根据图中所示的原理，最佳的抛光电压、电流可借助光学显微镜检查抛光表面的情况来决定。,2.3.1 金属块体制成薄膜样品,图2.15 电解抛光时的电压-电流曲线,2.3.2 无机非金属块体制成
22、薄膜样品,一、离子减薄法 20世纪60年代出现的离子减薄特别适用于无机非金属（主要是陶瓷）块体材料的薄膜制备。陶瓷块体薄膜制备方法是用专用切片机将块体样品割成薄片，再经机械减薄抛光等过程预减薄至3040 m的薄片。用超声波打孔机或其他方法把薄片钻取为2.53 mm的小片。将小片装入离子减薄仪进行离子轰击减薄和离子抛光。离子减薄仪的结构如图2.16所示。,2.3.2 无机非金属块体制成薄膜样品,图2.16 离子轰击减薄装置结构示意图S试样；I电离室；A离子枪阳极；D离子枪阴极；P泵系统；HV高压,2.3.2 无机非金属块体制成薄膜样品,二、凹坑研磨法 材料的机械凹坑研磨（mechanical d
23、impling）自20世纪70年代初已开始用于减薄材料至对电子束透明或接近透明。凹坑研磨基于研磨切割和研磨抛光同样的原理。在凹坑研磨过程中材料的磨去是通过一些参数特殊控制的，如研磨工具压力，研磨剂的类型，润滑剂的类型和工具速度。直径为3 mm的样品（厚度约10 m）安装在涂上低熔点石蜡的压盘上，然后研磨工具（典型的是黄铜）与样品垂直接触，工具的压力可设置，研磨工具与样品的界面之间涂上少量的研磨剂。研磨工具和压盘相对旋转，由此在样品上磨出一个凹坑（dimple），如图2.17所示。,2.3.2 无机非金属块体制成薄膜样品,图2.17 凹坑研磨过程的示意图,研磨工具和样品的相对旋转,凹坑的形成,2
24、.3.2 无机非金属块体制成薄膜样品,三、解理法许多具有层状结构的材料有一个容易的解理面，例如云母、石墨等，其原因是这些解理面的结合能特别小。对于这些材料，可以采用两块粘胶粘贴样品两面进行撕裂，撕裂发生在解理面，反复这样的解理过程使样品足够薄（样品的厚度可由它的干涉颜色粗略地估计），把胶带上地胶溶解后可把样品取下，这些样品可直接放到电子显微镜下观察。,2.3.2 无机非金属块体制成薄膜样品,一种简便、快速的小角度解理技术（SACT：small-angle cleavage technique）被用于制备TEM截面样品（cross-sectional specimen）。这种技术最初用于半导体和
25、光电材料，现在已被扩展到其他结晶的脆性材料。SACT的步骤（图2.18）是，将小片试样（约3 mm5 mm）“好”面朝下放在手工抛光压盘上，然后抛光样品背面直至厚度约0.1 mm，在样品背面上沿所需的特定方向（即某特定解理面）与边缘成小角度刻线；将刻下的样品“好”面朝上，最后第二个短刻线形成可供TEM观察的楔形样品。这种技术的基础就是不同晶面的解理能不同。,2.3.2 无机非金属块体制成薄膜样品,图2.18 小角度解理技术,表2.4 单晶Si的晶面键密度,“好”面朝下, 背面抛光直至 100m 厚,与边缘成小角度在背面刻线,“好”面朝上，第二短刻线形成楔形样品,2.3.3 高分子块体制成薄膜样
26、品,用超薄切片机可获得50 nm左右的薄试样。这种方法已广泛地应用于生物样品和高分子样品的制备。高分子样品超薄切片机与陶瓷超薄切片机一样，只是将制备生物样品和高分子样品的玻璃刀取代可切割陶瓷材料的金刚石刀。超薄切片机的原理是装在枢轴上的样品向切刀逐渐推进，装置示意图如图2.19所示。用超薄切片机切割生物样品或高分子样品，往往将切好的薄片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服这一困难，可以将样品在液氮中冷冻，或把样品镶嵌在一种可以固化的介质中（如环氧树脂），镶嵌后再切片就不会引起薄片样品的变形。,2.3.3 高分子块体制成薄膜样品,图2.19 超薄切片制备金属薄膜装置S样品；H样品夹持器；A待推
27、进装置的枢轴；K刀；T薄膜收集槽,2.3.4 聚焦离子束方法,聚焦离子束(FIB: focused ion beam)仪器与我们熟知的扫描电子显微镜相似，它用离子束取代扫描电镜的电子束来扫描样品，通常的加速电压为550 kV。高能离子束轰击试样，会使样品表面散射出二次离子，通过探测器的检测可形成样品的高清晰度、高分辨率、大景深的扫描离子像（简称SIM），放大倍率可达10万倍。利用离子束的这种溅射效应，FIB可以精确地对扫描离子像中样品特定微区进行刻蚀，刻蚀深度由FIB的束流大小和刻蚀时间等参数决定；进一步施加大电流可快速切割试片而挖出所需的洞或剖面，由此实现对试样特定微区进行TEM制样的方法。
28、FIB最初用于半导体器件的线路修复，现在在TEM制样上的应用引起广泛的兴趣。,2.3.4 聚焦离子束方法,FIB系统主要组成部分：离子源、离子束聚焦/扫描系统和样品台。图2.20 示出了FIB仪器中液态金属离子源（LMIS：liquid metal ion source）和透镜系统。,图2.20 FIB系统主要组成部分示意图,2.3.4 聚焦离子束方法,利用FIB可以快速地制备TEM样品。目前有两种方法。第一是传统的“刻槽法”(trench method)，具体过程见图2.21(a)。第二种方法是“取出法”(lift-out method)，图2.21(b)显示在材料表面制备的TEM样品过程。,图2.21 FIB法制备TEM样品,刻槽法,取出法,2.3.4 聚焦离子束方法,图2.22是利用Seiko SMI2200 FIB观察到的钛基复合材料的微观形貌，黑色组织为稀土增强体。在FIB中首先找到界面，然后就在此位置制备样品，尺寸为10 m5 m。,图2.22 Seiko SMI2200 FIB制备的钛基复合材料及其透射电子显微像,(a) 二次离子像,(b) 取出法制备的试样,(c) 透射电子显微像,
