金相显微镜级别（TEMSEM冷冻）

引言

利用电子显微镜的高分辨本领、高放大倍率等特点来分析研究物体的组织形貌、结构特征的一种近代材料物理试验方法。但是样品制作的好坏直接关系到结果的准确，因而制作出符合要求的样品成为整个实验的关键。下面介绍几种常用电镜的制样方法。

透射电镜（TEM）

TEM放大倍数可达近百万，可以看到在光学显微镜下无法看清的0.1～0.2nm的细微结构。其样品制备工作量很大，占整个测试工作的一半以上，甚至超过90％，十分关键。

图 透射电镜

样品台

常用样品台分为两种：顶入式样品台和侧插式样品台

• 顶入式样品台

要求样品室空间大，一次可放入多个（常见为6个）样品网，样品网盛载杯呈环状排列，使用时可以依靠机械手装置进行依次交换。

优点：每观察完多个样品后，才在更换样品时破坏一次样品室的真空，比较方便、省时间。

缺点：但所需空间太大，致使样品距下面物镜的距离较远，不适于缩短物镜焦距，会影响电镜分辨力的提高。

• 侧插式样品台

样品台制成杆状，样品网载放在前端，只能盛放1～2个铜网。

优点：样品台的体积小，所占空间也小，可以设置在物镜内部的上半端，有利于电镜分辨率的提高。

缺点：不能同时放入多个样品网，每次更换样品必须破坏一次样品室的真空，略嫌不便。

支撑网的选择：支撑网有多种材质如Cu、Ni、Be、尼龙等，选择时要与待分析样品的成分分开。

图 筛网尺寸

制备原则

• 简单
• 不破坏样品表面
• 获得尽量大的可观测薄区

主要制备方法

• 支持膜法：
• 复型法：
• 超薄切片法：
• 薄膜试样（电解双喷减薄，离子减薄，FIB等）

1. 支持膜法

适用范围：纳米颗粒（防止样品从铜网缝隙中漏出）

支持膜种类：

微栅膜

FIB微栅膜

纯碳微栅膜

多孔碳膜

Quantifoil规则多孔膜

C-flat纯碳多孔支持膜等

图 支持膜法

制备过程：

• 制备支持膜：在铜网上覆盖一层有机膜后喷碳
• 选择分散剂：根据样品性质选择，常用无水乙醇
• 分散：使用超声波或搅拌将粉末分散成悬浮液

液滴上支持膜（两种方法）：

（a）滴样：用镊子夹持覆有支持膜的铜网，用滴管滴几滴悬浮液在支持膜上，保持夹持状态至干燥（推荐）

（b）捞取：用镊子夹持载网浸入溶液捞取液滴（缺点：双面挂样

制备关键和注意事项：

• 样品粉末能否在支持膜上均匀分布
• 确保实验过程中未带入污染物

2.复型法

基本原理：用对电子束透明的薄膜（碳、塑料、氧化物薄膜）把材料表面或断口的形貌复制下来的一种间接样品制备方法。

适用范围：在电镜中易起变化的样品和难以制成薄膜的试样。

样品要求：非晶态、分子尺寸小、导电性、导热性良好，耐轰击，有足够的强度和刚度。

复型法分类：塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型、萃取复型。

（1）塑料一级复型

样品上滴特定溶液，溶液在样表面展平，多余的用滤纸吸掉，溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左右的塑料薄膜。

图 塑料一级复型

（2）碳一级复型

使用真空镀膜装置在样品表面蒸镀一层碳膜，样品放入真空镀膜装置中，把样品放入配好的分离液中进行电解或化学分离后分离出的碳膜即可用于分析。

图 碳一级复型

（3）萃取复型

图 萃取复型

（4）塑料-碳二级复型

简单地说，在塑料一级复型上再制作碳复型，就是二级复型。分辨率与塑料一级复型相当，不破坏样品，耐电子束照射，复型带有重金属投影。

图 碳二级复型

3. 超薄切片法

适用范围：生物组织、较软的无机材料等。

1.取材 2.固定 3.漂洗 4.乙醇或丙酮系列脱水 5.渗透 6.包埋 7.聚合 8.修块 9.切片 10.捞片染色 11.电镜观察

注意事项：

• 迅速：最短时间内取样,投入固定液
• 体积小：所取样品体积不超过1mm3
• 轻：轻轻操作，使用锋利器械，避免拉、锯、压
• 准确：所取部位有代表性
• 低温：在0～4℃内操作

4.离子剪薄法

适用范围：用于非金属材料或非均匀金属

制备过程：

• 预处理：按预定取向切割成薄片，机械抛光减薄到几十μm，把边长/直径切割至<3mm。
• 装入离子轰击装置：
• 抛光：获得平坦而宽大的薄区。

图 离子剪薄法

5.电解双喷减薄法

适用范围：只能制备金属试样，首选大块金属。

样品准备：

• 磨抛厚度均匀，避免穿孔偏
• 样品保证清洁
• 多准备一些试样，试合适的条件

制备步骤：

• 样品接正极、电解液接负极，电解液从两侧喷向样品
• 样品穿孔后，自动停机
• 获得中间薄，边缘厚，呈面窝状的TEM薄膜样品

电解液选择：根据样品；不损伤仪器

优点：条件易控制，快速，重复性好，成功率较高。

图 电解双喷减薄法原理图

6. 聚焦离子束法（FIB）

适用范围：适用于半导体器件的高精度切割与线路修复。

原理：使用来源于液态金属镓的离子束，通过调整束流强度，快速、精细地加工指定区域。

方法：铣削阶梯法，削薄法（H-bar）

铣削阶梯法：

• 预处理：铣削出两个反向的阶梯槽，中间留出极薄的TEM试样
• 标记：刻蚀出定位标记
• 定位：用离子束扫描定位标记，确定铣削区域
• 铣削：自动或手动完成铣削加工

图 铣削阶梯法制备的样品TEM照片

削薄法（H-bar）：

• 使用机械切割和研磨等方法将试样做到50-100μm厚
• 使用FIB沉积一层Pt保护层
• 使用FIB铣削掉两侧的材料

图 削薄法工作示意图

扫描电镜（SEM）

扫描电子显微镜样品制备比透射电镜样品制备简单，不需要包埋和切片。

样品要求：

样品必须是固体；满足无毒，无放射性，无污染，无磁，无水，成分稳定要求。

制备原则：

• 表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干；
• 新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，以免破坏断口或表面的结构状态；
• 要侵蚀的试样表面或断口应清洗干净并烘干；
• 磁性样品预先去磁；
• 试样大小要适合仪器专用样品座尺寸。

常用方法：

• 块状样品

块状导电材料：无需制样，用导电胶把试样粘结在样品座上，直接观察。

块状非导电（或导电性能差）材料：先使用镀膜法处理样品，以避免电荷累积，影响图像质量。

图 块状样品制备示意图

• 粉末样品

直接分散法：

• 双面胶粘在铜片上，将被测样品颗粒借助于棉球直接散落在上面，用洗耳球轻吹试样，除去附着的和未牢固固定的颗粒。
• 把载有颗粒的玻璃片翻转过来，对准已备好的试样台，用小镊子或玻璃棒轻轻敲打，使细颗粒均匀落在试样台。

超声分散法：将少量的颗粒置于烧杯中，加入适量的乙醇，超声震荡5分钟后，用滴管加到铜片上，自然干燥。

镀膜法

• 真空镀膜

真空蒸发镀膜法(简称真空蒸镀)是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分 子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(称为衬 底或基片)表面，凝结形成固态薄膜的方法。

• 离子溅射镀膜

原理：

离子溅射镀膜是在部分真空的溅射室中辉光放电，产生正的气体离子；在阴极（靶）和阳极（试样）间电压的加速作用下，荷正电的离子轰击阴极表面，使阴极表面材料原子化；形成的中性原子，从各个方向溅出，射落到试样的表面，于是在试样表面上形成一层均匀的薄膜。

特点：

• 对于任何待镀材料，只要能做成靶材，就可实现溅射（适合制备难蒸发材料，不易得到高纯度的化合物所对应的薄膜材料）；
• 溅射所获得的薄膜和基片结合较好；
• 消耗贵金属少，每次仅约几毫克；
• 溅射工艺可重复性好，膜厚可控制，同时可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜。

溅射方法：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射。

1．直流溅射

图 直流溅射沉积装置示意图

已很少用，因为沉积速率太低~0.1μm/min,基片升温，靶材必须导电，高的直流电压，较高的气压。

优点：装置简单，容易控制，支模重复性好。

缺点：工作气压高（10-2Torr）,高真空泵不起作用；

沉积速率低，基片升温高，只能用金属靶（绝缘靶导致正离子累积）

2．射频溅射

图 射频溅射工作示意图

射频频率：13.56MHz

特点：

• 电子作振荡运动，延长了路径，不再需要高压。
• 射频溅射可制备绝缘介质薄膜
• 射频溅射的负偏压作用，使之类似直流溅射。

3．磁控溅射

原理：以磁场改变电子运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，提高了电子对工作气体的电离几率，有效利用了电子的能量。从而使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效，可在较低的气压条件下进行溅射，同时受正交电磁场束缚的电子又约束在靶附近，只能在其能量耗尽时才能沉积的基片上。

图 磁控溅射原理示意图

特点：低温，高速，有效解决了直流溅射中基片温升高和溅射速率低两大难题。

缺点：

• 靶材利用率低（10%-30%），靶表面不均匀溅射；
• 反应性磁控溅射中的电弧问题；
• 薄膜不够均匀
• 溅射装置比较复杂

反应溅射

在溅射气体中加入少量的反应气体如氮气，氧气，烷类等，使反应气体与靶材原子一起在衬底上沉积，对一些不易找到块材制成靶材的材料，或溅射过程中薄膜成分容易偏离靶材原成分的，都可利用此方法。

反应气体：O2，N2，NH3，CH4，H2S等

镀膜操作

将制好的样品台放在样品托内，置于离子溅射仪中，盖好顶盖，拧紧螺丝，打开电源抽真空。待真空稳定后，约为5 X10-1mmHg，按下“启动”按钮，通过调节针阀将电流调至6~8mA，开始镀金，镀金一分钟后自动停止，关闭电源，打开顶盖螺丝，放气，取出样品即可。

图 Cressington 108Auto高性能离子溅射仪

冷冻电镜制样

冷冻电镜，就是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度可至-185℃）即可进行观察。

适用范围：塑料，橡胶及高分子材料，组织化学，细胞化学等

样品制备要求：能够保持本身的结构，又能抗脱水和电子辐射

方法：

（a）通过快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态，也就是在亲水的支持膜上将含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内。

图 液氮冷冻

（b）通过喷雾冷冻装置（spray-freezing equipment），利用结合底物混合冰冻技术 (spray-freezing)，可以把两种溶液（如受体和配体）在极短的时间内混合起来 (ms量级)，然后快速冷冻。

图 喷雾冷冻装置

金相制样

金相分析在材料研究领域占有十分重要的地位，是研究材料内部组织的主要手段之一。采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。

制样过程：样品切割、镶嵌样品、机械制样、检验样品

样品切割

方法：金相最适合的切割方法是湿式切割轮切割法。

优点：所造成的损伤与所用的时间相比是最小的

切割片的选择：主要依据材料的硬度和韧性进行选择。

图 砂轮片的选择

陶瓷和烧结碳化物：金刚石切割片

钢铁材料：氧化铝（Al2O3）切割片和CBN切割片

有色金属：碳化硅（SiC）切割片

镶嵌样品

金相样品镶嵌（以下简称镶样），是指在试样尺寸较小或者形状不规则导致研磨抛光苦难而进行的镶嵌或夹持来使试样抛磨方便，提高工作效率及实验的准确性的工艺方法。

镶样一般分为冷镶和热镶。

冷镶应用：对温度及压力极敏感的材料，以及微裂纹的试样，应采用冷镶的方式，将不会引起试样组织的变化。

图 冷镶示意图

冷镶材料：一般包括环氧树脂、丙烯酸树脂、聚脂树脂。

• 环氧树脂：收缩率低，固化时间长；边缘保护好，用于真空浸渍，适用于多孔性材料；
• 丙烯酸树脂：黄色或白色，固化时间短，适用于大批量形状不规则的试样镶样；对有裂纹或孔隙的试样有较好的渗透性；特别适用于印刷电路板封装；
• 聚酯树脂：黄色、透明、固化时间较长；适用于大批量无孔隙的试样制样，适用期长；

真空浸渍：多孔材料（如陶瓷或热喷涂层）需要进行真空浸渍。树脂可强化这些脆弱的材料，可以最大程度地减少制备缺陷（如拔出、裂纹或未打开的孔隙）。只有环氧树脂可用于真空浸渍，因为它们具有低粘度和低蒸汽压特性。可将荧光染料与环氧树脂混合使用，以便于在荧光灯下找出一切填充过的孔隙。

图 冷镶制样 图片来源：司特尔公司

热镶应用：适用于低温及压力不大的情况下不发生变形的样品。

图 热镶示意图

镶材料：目前一般多采用塑料作为镶嵌材料。镶嵌材料有热凝性塑料（如胶木粉）、热塑性塑料（如聚氯乙烯）、冷凝性塑料（环氧树脂加固化剂）及医用牙托粉加牙托水等。胶木粉不透明，有各种颜色，而且比较硬，试样不易倒角，但抗强酸强碱的耐腐蚀性能比较差。聚氯乙烯为半透明或透明的，抗酸碱的耐腐蚀性能好，但较软。

热镶试样图片来源：司特尔公司

机械制样

机械制样可分两种操作：研磨和抛光

1.研磨

研磨的最终目的是获得极小损伤的平表面，而这些微小的损伤在随后的抛光过程中用很短的时间就可以消除掉。

研磨分为粗磨和细磨两个过程。

• 粗磨 粗磨的过程是将所有样品的表面成为相似的表面，使用较为粗大的、固定的研磨颗粒可迅速地研磨掉物质。
• 精磨 精磨会使样品有些微变形，但这些变形在抛光过程中就会消除掉。

2.抛光

抛光如同研磨一样，也必须去掉前面工序带来的损伤。可分为金刚石抛光和氧化物抛光两个过程。

• 金刚石抛光 只有将金刚石作为研磨料进行抛光，才能以最快速度获得最好的研磨平面。这是因为金刚石很硬，它几乎可以切任何材料和相。
• 氧化物抛光 对于特别软、韧性的样品，须采用氧化物抛光法。

抛光在抛光布上完成。金刚石抛光时还须用到润滑剂。

研磨和抛光设备

检验样品

抛光后检测部位变得光亮，观察组织时，需先对样品检测部位进行侵蚀，完毕后用酒精冲淋并用吹风机吹干。

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