引言

利用電子顯微鏡的高分辨本領(lǐng)、高放大倍率等特點(diǎn)來(lái)分析研究物體的組織形貌、結(jié)構(gòu)特征的一種近代材料物理試驗(yàn)方法。但是樣品制作的好壞直接關(guān)系到結(jié)果的準(zhǔn)確，因而制作出符合要求的樣品成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。下面介紹幾種常用電鏡的制樣方法。

透射電鏡（TEM）

TEM放大倍數(shù)可達(dá)近百萬(wàn)，可以看到在光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清的0.1～0.2nm的細(xì)微結(jié)構(gòu)。其樣品制備工作量很大，占整個(gè)測(cè)試工作的一半以上，甚至超過(guò)90％，十分關(guān)鍵。

圖透射電鏡

樣品臺(tái)

常用樣品臺(tái)分為兩種：頂入式樣品臺(tái)和側(cè)插式樣品臺(tái)

頂入式樣品臺(tái)

要求樣品室空間大，一次可放入多個(gè)（常見為6個(gè)）樣品網(wǎng)，樣品網(wǎng)盛載杯呈環(huán)狀排列，使用時(shí)可以依靠機(jī)械手裝置進(jìn)行依次交換。

優(yōu)點(diǎn)：每觀察完多個(gè)樣品后，才在更換樣品時(shí)破壞一次樣品室的真空，比較方便、省時(shí)間。

缺點(diǎn)：但所需空間太大，致使樣品距下面物鏡的距離較遠(yuǎn)，不適于縮短物鏡焦距，會(huì)影響電鏡分辨力的提高。

側(cè)插式樣品臺(tái)

樣品臺(tái)制成桿狀，樣品網(wǎng)載放在前端，只能盛放1～2個(gè)銅網(wǎng)。

優(yōu)點(diǎn)：樣品臺(tái)的體積小，所占空間也小，可以設(shè)置在物鏡內(nèi)部的上半端，有利于電鏡分辨率的提高。

缺點(diǎn)：不能同時(shí)放入多個(gè)樣品網(wǎng)，每次更換樣品必須破壞一次樣品室的真空，略嫌不便。

支撐網(wǎng)的選擇：支撐網(wǎng)有多種材質(zhì)如Cu、Ni、Be、尼龍等，選擇時(shí)要與待分析樣品的成分分開。

圖篩網(wǎng)尺寸

制備原則

簡(jiǎn)單

不破壞樣品表面

獲得盡量大的可觀測(cè)薄區(qū)

主要制備方法

支持膜法：

復(fù)型法：

超薄切片法：

薄膜試樣（電解雙噴減薄，離子減薄，F(xiàn)IB等）

1.支持膜法

適用范圍：納米顆粒（防止樣品從銅網(wǎng)縫隙中漏出）

支持膜種類：

微柵膜

FIB微柵膜

純碳微柵膜

多孔碳膜

Quantifoil規(guī)則多孔膜

C-flat純碳多孔支持膜等

圖支持膜法

制備過(guò)程：

制備支持膜：在銅網(wǎng)上覆蓋一層有機(jī)膜后噴碳

選擇分散劑：根據(jù)樣品性質(zhì)選擇，常用無(wú)水乙醇

分散：使用超聲波或攪拌將粉末分散成懸浮液

液滴上支持膜（兩種方法）：

（a）滴樣：用鑷子夾持覆有支持膜的銅網(wǎng)，用滴管滴幾滴懸浮液在支持膜上，保持夾持狀態(tài)至干燥（推薦）

（b）撈?。河描囎訆A持載網(wǎng)浸入溶液撈取液滴（缺點(diǎn)：雙面掛樣

制備關(guān)鍵和注意事項(xiàng)：

樣品粉末能否在支持膜上均勻分布

確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未帶入污染物

2.復(fù)型法

基本原理：用對(duì)電子束透明的薄膜（碳、塑料、氧化物薄膜）把材料表面或斷口的形貌復(fù)制下來(lái)的一種間接樣品制備方法。

適用范圍：在電鏡中易起變化的樣品和難以制成薄膜的試樣。

樣品要求：非晶態(tài)、分子尺寸小、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性良好，耐轟擊，有足夠的強(qiáng)度和剛度。

復(fù)型法分類：塑料一級(jí)復(fù)型、碳一級(jí)復(fù)型、塑料-碳二級(jí)復(fù)型、萃取復(fù)型。

（1）塑料一級(jí)復(fù)型

樣品上滴特定溶液，溶液在樣表面展平，多余的用濾紙吸掉，溶劑蒸發(fā)后樣品表面留下一層100nm左右的塑料薄膜。

圖塑料一級(jí)復(fù)型

（2）碳一級(jí)復(fù)型

使用真空鍍膜裝置在樣品表面蒸鍍一層碳膜，樣品放入真空鍍膜裝置中，把樣品放入配好的分離液中進(jìn)行電解或化學(xué)分離后分離出的碳膜即可用于分析。

圖碳一級(jí)復(fù)型

（3）萃取復(fù)型

圖萃取復(fù)型

（4）塑料-碳二級(jí)復(fù)型

簡(jiǎn)單地說(shuō)，在塑料一級(jí)復(fù)型上再制作碳復(fù)型，就是二級(jí)復(fù)型。分辨率與塑料一級(jí)復(fù)型相當(dāng)，不破壞樣品，耐電子束照射，復(fù)型帶有重金屬投影。

圖碳二級(jí)復(fù)型

3.超薄切片法

適用范圍：生物組織、較軟的無(wú)機(jī)材料等。

1.取材2.固定3.漂洗4.乙醇或丙酮系列脫水5.滲透6.包埋7.聚合8.修塊9.切片10.撈片染色11.電鏡觀察

注意事項(xiàng)：

迅速：最短時(shí)間內(nèi)取樣,投入固定液

體積?。核悠敷w積不超過(guò)1mm3

輕：輕輕操作，使用鋒利器械，避免拉、鋸、壓

準(zhǔn)確：所取部位有代表性

低溫：在0～4℃內(nèi)操作

4.離子剪薄法

適用范圍：用于非金屬材料或非均勻金屬

制備過(guò)程：

預(yù)處理：按預(yù)定取向切割成薄片，機(jī)械拋光減薄到幾十μm，把邊長(zhǎng)/直徑切割至3mm。

裝入離子轟擊裝置：

拋光：獲得平坦而寬大的薄區(qū)。

圖離子剪薄法

5.電解雙噴減薄法

適用范圍：只能制備金屬試樣，首選大塊金屬。

樣品準(zhǔn)備：

磨拋厚度均勻，避免穿孔偏

樣品保證清潔

多準(zhǔn)備一些試樣，試合適的條件

制備步驟：

樣品接正極、電解液接負(fù)極，電解液從兩側(cè)噴向樣品

樣品穿孔后，自動(dòng)停機(jī)

獲得中間薄，邊緣厚，呈面窩狀的TEM薄膜樣品

電解液選擇：根據(jù)樣品；不損傷儀器

優(yōu)點(diǎn)：條件易控制，快速，重復(fù)性好，成功率較高。

圖電解雙噴減薄法原理圖

6.聚焦離子束法（FIB）

適用范圍：適用于半導(dǎo)體器件的高精度切割與線路修復(fù)。

方法：銑削階梯法，削薄法（H-bar）

銑削階梯法：

預(yù)處理：銑削出兩個(gè)反向的階梯槽，中間留出極薄的TEM試樣

標(biāo)記：刻蝕出定位標(biāo)記

定位：用離子束掃描定位標(biāo)記，確定銑削區(qū)域

銑削：自動(dòng)或手動(dòng)完成銑削加工

圖銑削階梯法制備的樣品TEM照片

削薄法（H-bar）：

使用機(jī)械切割和研磨等方法將試樣做到50-100μm厚

使用FIB沉積一層Pt保護(hù)層

使用FIB銑削掉兩側(cè)的材料

圖削薄法工作示意圖

掃描電鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡樣品制備比透射電鏡樣品制備簡(jiǎn)單，不需要包埋和切片。

樣品要求：

樣品必須是固體；滿足無(wú)毒，無(wú)放射性，無(wú)污染，無(wú)磁，無(wú)水，成分穩(wěn)定要求。

制備原則：

表面受到污染的試樣，要在不破壞試樣表面結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行適當(dāng)清洗，然后烘干；

新斷開的斷口或斷面，一般不需要進(jìn)行處理，以免破壞斷口或表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；

要侵蝕的試樣表面或斷口應(yīng)清洗干凈并烘干；

磁性樣品預(yù)先去磁；

試樣大小要適合儀器專用樣品座尺寸。

常用方法：

塊狀樣品

塊狀導(dǎo)電材料：無(wú)需制樣，用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上，直接觀察。

塊狀非導(dǎo)電（或?qū)щ娦阅懿睿┎牧希合仁褂缅兡しㄌ幚順悠?，以避免電荷累積，影響圖像質(zhì)量。

圖塊狀樣品制備示意圖

粉末樣品

直接分散法：

雙面膠粘在銅片上，將被測(cè)樣品顆粒借助于棉球直接散落在上面，用洗耳球輕吹試樣，除去附著的和未牢固固定的顆粒。

把載有顆粒的玻璃片翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，對(duì)準(zhǔn)已備好的試樣臺(tái)，用小鑷子或玻璃棒輕輕敲打，使細(xì)顆粒均勻落在試樣臺(tái)。

超聲分散法：將少量的顆粒置于燒杯中，加入適量的乙醇，超聲震蕩5分鐘后，用滴管加到銅片上，自然干燥。

鍍膜法

真空鍍膜

真空蒸發(fā)鍍膜法(簡(jiǎn)稱真空蒸鍍)是在真空室中，加熱蒸發(fā)容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸氣流，入射到固體(稱為襯底或基片)表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜的方法。

離子濺射鍍膜

原理：

離子濺射鍍膜是在部分真空的濺射室中輝光放電，產(chǎn)生正的氣體離子；在陰極（靶）和陽(yáng)極（試樣）間電壓的加速作用下，荷正電的離子轟擊陰極表面，使陰極表面材料原子化；形成的中性原子，從各個(gè)方向?yàn)R出，射落到試樣的表面，于是在試樣表面上形成一層均勻的薄膜。

特點(diǎn)：

對(duì)于任何待鍍材料，只要能做成靶材，就可實(shí)現(xiàn)濺射（適合制備難蒸發(fā)材料，不易得到高純度的化合物所對(duì)應(yīng)的薄膜材料）；

濺射所獲得的薄膜和基片結(jié)合較好；

消耗貴金屬少，每次僅約幾毫克；

濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時(shí)可以在大面積基片上獲得厚度均勻的薄膜。

濺射方法：直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應(yīng)濺射。

1．直流濺射

圖直流濺射沉積裝置示意圖

已很少用，因?yàn)槌练e速率太低~0.1μm/min,基片升溫，靶材必須導(dǎo)電，高的直流電壓，較高的氣壓。

優(yōu)點(diǎn)：裝置簡(jiǎn)單，容易控制，支模重復(fù)性好。

缺點(diǎn)：工作氣壓高（10-2Torr）,高真空泵不起作用；

沉積速率低，基片升溫高，只能用金屬靶（絕緣靶導(dǎo)致正離子累積）

2．射頻濺射

圖射頻濺射工作示意圖

射頻頻率：13.56MHz

特點(diǎn)：

電子作振蕩運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)了路徑，不再需要高壓。

射頻濺射可制備絕緣介質(zhì)薄膜

射頻濺射的負(fù)偏壓作用，使之類似直流濺射。

3．磁控濺射

原理：以磁場(chǎng)改變電子運(yùn)動(dòng)方向，并束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了電子對(duì)工作氣體的電離幾率，有效利用了電子的能量。從而使正離子對(duì)靶材轟擊所引起的靶材濺射更加有效，可在較低的氣壓條件下進(jìn)行濺射，同時(shí)受正交電磁場(chǎng)束縛的電子又約束在靶附近，只能在其能量耗盡時(shí)才能沉積的基片上。

圖磁控濺射原理示意圖

特點(diǎn)：低溫，高速，有效解決了直流濺射中基片溫升高和濺射速率低兩大難題。

缺點(diǎn)：

靶材利用率低（10%-30%），靶表面不均勻?yàn)R射；

反應(yīng)性磁控濺射中的電弧問(wèn)題；

薄膜不夠均勻

濺射裝置比較復(fù)雜

反應(yīng)濺射

在濺射氣體中加入少量的反應(yīng)氣體如氮?dú)?，氧氣，烷類等，使反?yīng)氣體與靶材原子一起在襯底上沉積，對(duì)一些不易找到塊材制成靶材的材料，或?yàn)R射過(guò)程中薄膜成分容易偏離靶材原成分的，都可利用此方法。

反應(yīng)氣體：O2，N2，NH3，CH4，H2S等

鍍膜操作

將制好的樣品臺(tái)放在樣品托內(nèi)，置于離子濺射儀中，蓋好頂蓋，擰緊螺絲，打開電源抽真空。待真空穩(wěn)定后，約為5X10-1mmHg，按下“啟動(dòng)”按鈕，通過(guò)調(diào)節(jié)針閥將電流調(diào)至6~8mA，開始鍍金，鍍金一分鐘后自動(dòng)停止，關(guān)閉電源，打開頂蓋螺絲，放氣，取出樣品即可。

圖Cressington108Auto高性能離子濺射儀

冷凍電鏡制樣

冷凍電鏡，就是用于掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸技術(shù)(Cryo-SEM)可實(shí)現(xiàn)直接觀察液體、半液體及對(duì)電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。樣品經(jīng)過(guò)超低溫冷凍、斷裂、鍍膜制樣（噴金/噴碳）等處理后，通過(guò)冷凍傳輸系統(tǒng)放入電鏡內(nèi)的冷臺(tái)（溫度可至-185℃）即可進(jìn)行觀察。

適用范圍：塑料，橡膠及高分子材料，組織化學(xué)，細(xì)胞化學(xué)等

樣品制備要求：能夠保持本身的結(jié)構(gòu)，又能抗脫水和電子輻射

方法：

（a）通過(guò)快速冷凍使含水樣品中的水處于玻璃態(tài)，也就是在親水的支持膜上將含水樣品包埋在一層較樣品略高的薄冰內(nèi)。

圖液氮冷凍

（b）通過(guò)噴霧冷凍裝置（spray-freezingequipment），利用結(jié)合底物混合冰凍技術(shù)(spray-freezing)，可以把兩種溶液（如受體和配體）在極短的時(shí)間內(nèi)混合起來(lái)(ms量級(jí))，然后快速冷凍。

圖噴霧冷凍裝置

金相制樣

金相分析在材料研究領(lǐng)域占有十分重要的地位，是研究材料內(nèi)部組織的主要手段之一。采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來(lái)確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。

制樣過(guò)程：樣品切割、鑲嵌樣品、機(jī)械制樣、檢驗(yàn)樣品

樣品切割

方法：金相最適合的切割方法是濕式切割輪切割法。

優(yōu)點(diǎn)：所造成的損傷與所用的時(shí)間相比是最小的

切割片的選擇：主要依據(jù)材料的硬度和韌性進(jìn)行選擇。

圖砂輪片的選擇

陶瓷和燒結(jié)碳化物：金剛石切割片

鋼鐵材料：氧化鋁（Al2O3）切割片和CBN切割片

有色金屬：碳化硅（SiC）切割片

鑲嵌樣品

金相樣品鑲嵌（以下簡(jiǎn)稱鑲樣），是指在試樣尺寸較小或者形狀不規(guī)則導(dǎo)致研磨拋光苦難而進(jìn)行的鑲嵌或夾持來(lái)使試樣拋磨方便，提高工作效率及實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性的工藝方法。

鑲樣一般分為冷鑲和熱鑲。

冷鑲應(yīng)用：對(duì)溫度及壓力極敏感的材料，以及微裂紋的試樣，應(yīng)采用冷鑲的方式，將不會(huì)引起試樣組織的變化。

圖冷鑲示意圖

冷鑲材料：一般包括環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚脂樹脂。

環(huán)氧樹脂：收縮率低，固化時(shí)間長(zhǎng)；邊緣保護(hù)好，用于真空浸漬，適用于多孔性材料；

丙烯酸樹脂：黃色或白色，固化時(shí)間短，適用于大批量形狀不規(guī)則的試樣鑲樣；對(duì)有裂紋或孔隙的試樣有較好的滲透性；特別適用于印刷電路板封裝；

聚酯樹脂：黃色、透明、固化時(shí)間較長(zhǎng)；適用于大批量無(wú)孔隙的試樣制樣，適用期長(zhǎng)；

真空浸漬：多孔材料（如陶瓷或熱噴涂層）需要進(jìn)行真空浸漬。樹脂可強(qiáng)化這些脆弱的材料，可以最大程度地減少制備缺陷（如拔出、裂紋或未打開的孔隙）。只有環(huán)氧樹脂可用于真空浸漬，因?yàn)樗鼈兙哂械驼扯群偷驼羝麎禾匦浴？蓪晒馊玖吓c環(huán)氧樹脂混合使用，以便于在熒光燈下找出一切填充過(guò)的孔隙。

熱鑲應(yīng)用：適用于低溫及壓力不大的情況下不發(fā)生變形的樣品。

圖熱鑲示意圖

鑲材料：目前一般多采用塑料作為鑲嵌材料。鑲嵌材料有熱凝性塑料（如膠木粉）、熱塑性塑料（如聚氯乙烯）、冷凝性塑料（環(huán)氧樹脂加固化劑）及醫(yī)用牙托粉加牙托水等。膠木粉不透明，有各種顏色，而且比較硬，試樣不易倒角，但抗強(qiáng)酸強(qiáng)堿的耐腐蝕性能比較差。聚氯乙烯為半透明或透明的，抗酸堿的耐腐蝕性能好，但較軟。

機(jī)械制樣

機(jī)械制樣可分兩種操作：研磨和拋光

1.研磨

研磨的最終目的是獲得極小損傷的平表面，而這些微小的損傷在隨后的拋光過(guò)程中用很短的時(shí)間就可以消除掉。

研磨分為粗磨和細(xì)磨兩個(gè)過(guò)程。

粗磨粗磨的過(guò)程是將所有樣品的表面成為相似的表面，使用較為粗大的、固定的研磨顆?？裳杆俚匮心サ粑镔|(zhì)。

精磨精磨會(huì)使樣品有些微變形，但這些變形在拋光過(guò)程中就會(huì)消除掉。

2.拋光

拋光如同研磨一樣，也必須去掉前面工序帶來(lái)的損傷?？煞譃榻饎偸瘨伖夂脱趸飹伖鈨蓚€(gè)過(guò)程。

金剛石拋光只有將金剛石作為研磨料進(jìn)行拋光，才能以最快速度獲得最好的研磨平面。這是因?yàn)榻饎偸苡?，它幾乎可以切任何材料和相?/p>

氧化物拋光對(duì)于特別軟、韌性的樣品，須采用氧化物拋光法。

拋光在拋光布上完成。金剛石拋光時(shí)還須用到潤(rùn)滑劑。

研磨和拋光設(shè)備

檢驗(yàn)樣品

拋光后檢測(cè)部位變得光亮，觀察組織時(shí)，需先對(duì)樣品檢測(cè)部位進(jìn)行侵蝕，完畢后用酒精沖淋并用吹風(fēng)機(jī)吹干。