tem暗场图像怎么解析（深度剖析多种TEM制样攻略）

透射电子显微镜（Transmission electron microscope, TEM）是使用最为广泛的电子显微镜之一，和扫描电子显微技术共同组成了电子显微学的“两大支柱”。TEM测试原理采用通过试样电子成像并分析其结构，因电子穿透能力弱，试样厚度，导电性，磁性及分散性等性质直接影响测试结果。所以，透射电镜制样比扫描电镜制样要复杂、精细得多，对不同材料应按其性质而采取适当方法。本文将对透射电镜常见的各种制样方法进行介绍与对比。

载样工具介绍

TEM常用的载样工具制成杆状，称样品杆，针对不同的测试需求有不同的样品杆（图1），样品搭载在支撑网（通常是铜网）里并放在样品杆前端，每个样品杆最多只能放1~2个铜网。采用样品杆载样具有载样工具体积小，占用空间亦少，可布置于物镜内上部，利于电镜分辨率提高等优点。缺点是无法一次投入过多的样品网，换样时必须打破一次样品室内真空，且效率低下。

图1 TEM样品杆 【图片来自网络】

支撑网主要有超薄碳膜、微栅铜网、纯碳膜、双联载网支持膜等，金属支撑网的材质有多种，如Cu、Ni、Be、尼龙等，选择时要注意选择成分有别于待分析样品的支撑网。

图2 样品杆尖端结构与支撑网种类

样品要求

TEM的放大倍数高、观测范围有限、敏感度高，因此为了获得清晰、准确、稳定的信号，对TEM的样品要求也很高。

TEM的样品种类分为粉末试样、薄膜试样、表面复型和萃取复型。

①粉末式样：主要用于粉末材料的形貌观察、颗粒度的测定及结构与成分分析等；

②薄膜试样：样品内部的组织、结构、成分、位错组态和密度、相取向关系等；

③表面复型和萃取复型：金相组织观察、断口形貌、形变条纹、第二相形态、分布和结构等。一般而言，TEM的样品要求如下：样品一般应为厚度小于100 nm的固体；样品在电镜电磁场作用下不会被吸出，附于极靴上；样品在高真空中能保持稳定；

④ 不含有水分或其它易挥发物，如果含有水分或其他易挥发物的试样应先烘干。

制样方法

TEM具有制样原则，即简便，不损伤试样表面，得到尽可能多的可观察薄区。常见制样方法按待测样品性状分为粉末制样法与块状制样法。

3.1粉末样品的制样方法

（1）溶液分散-滴落法样品要求：对纳米颗粒材料及其他样品体积小或者微米颗粒样品边缘厚度薄、边缘位置厚度低的情况下，可以采用溶液分散-滴落法直接制备TEM样品。

图3 铜网-支持膜结构

步骤一：针对样品特性及测试要求，选择了适宜的支持膜。支持膜为负载于铜网之间的膜，可供携带样品。支持膜一般都要求有

①要有相当好的机械强度，耐高能电子轰击；

②应在高倍下不显示自身组织，本身颗粒度要小，以提高样品分辨率；

③有较好的化学稳定性、导电性和导热性。常用的支持膜主要有微栅膜、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。

支持膜的选择标准如下表1所列。

表1 支持膜种类

除上表所示内容之外，还有一些特殊情况：

①用能谱分析铜元素时，不能选用铜载网，要选用镍、钼等其他材质的载网膜；分析碳元素时，要用氮化硅膜。

②在做高分子、生物样品切片后需要染色时要用裸网或微栅，因为染色剂通常会染方华膜。

③当负载某些二维方向尺度大的薄膜样品，例如大面积石墨烯膜和有机膜时，若采用碳支持膜背底效应大，采用微栅膜低倍观测时具有微栅孔结构，可以选择目数大的裸网样品，例如1000目和2000目铜裸网样品。

步骤二：选择分散剂。根据样品性质选择，通常采用无水乙醇。

步骤三：使用超声波或搅拌将粉末分散在分散剂中，制成悬浮液。注意：悬浮液中的粉末密度不宜过高。

步骤四：将样品负载到支持膜上，有滴样和捞取两种方法。

滴样：使用镊子将覆盖有支持膜铜网夹紧，滴管滴入数滴悬浮液于支持膜表面并保持夹紧状态直至晾干；

捞取：用镊子夹持载网浸入溶液捞取液滴，这种方法会在支持膜两面都负载上样品。

步骤五：待支持膜上的液滴充分干燥后即可完成制样，随后即可进行电镜观察。

（2）胶粉混合法试样要求：一般用于磁性粉末样品且观察倍数不高的情况下。

步骤一：把火棉胶溶液滴入洁净的玻璃片中，再往玻璃片的胶液中加入少量粉末，搅拌均匀后，把另外一片玻璃片压紧，两片玻璃片对研，骤然抽出，待膜片晾干即可。

步骤二：用刀片将膜片划成小方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐渐脱落。

步骤三：用铜网将方形膜捞出，即可用于TEM观察。

3.2块状样品的制样方法

（1）树脂包埋法试样要求：对于大的块体材料需要切割成小块后进行后续的磨薄工艺；对微米量级的较大颗粒且经机械研磨粉碎损伤样品以致不能获得理想样品的情况下，此时可以尝试采用包埋磨薄的方法制样。

理想的包埋剂应具有：高强度，高温稳定性，与多种溶剂和化学药品不起反应。目前常用国产环氧树脂618、Epon812环氧树脂、及低黏度包埋Spurr。具体制样步骤如下：

步骤1：将待观察的样品块放入灌满包埋剂的适当模具（如胶囊）中，恒温箱内加温固化。Spurr70℃烤箱内8h即可固化，国产树脂618、Epon812环氧树脂需37℃过夜，经45℃ 12h、60℃ 24h可固化。

图4 石蜡包埋组织样本 【图片来自网络】

步骤2：出包埋固化的试样，采用超薄切片机切片或者如下减薄方法使其在与电子束垂直的二维方向尺寸均在3 mm以下，就可以得到与透射电镜试样杆兼容尺寸一致的试样。

步骤3：将获取的样品薄片分散于载网上，即可制得透射观察所需要的样品。包埋剂配制及使用过程中的注意事项：

① 所有容器及玻璃棒等应是清洁和干燥的；

② 配制过程中应搅拌均匀，使用过程中应避免异物，特别是水、乙醇、丙酮等混入包埋剂；

③ 配制好的包埋剂应密封保存，避免受潮。剩余包埋剂可密封并储存在-10 — -20℃冰箱中，延长其使用期。

（2）机械减薄法

图5 机械减薄所用机器 【图片来自网络】

步骤1：用砂纸手工研磨减薄样品薄片平行于电子束方向的厚度，这一过程砂纸型号依次递增，即砂纸颗粒度递减，砂纸达到理想厚度时，由于砂纸引起的机械损伤刮痕最小。试样厚度达5μm左右后，磨薄工艺停止；

步骤2：采用凹坑仪对试样进行连续磨薄，直至达到1 μm厚；

步骤3：使用抛光机去掉表面的划痕损伤；

步骤4：用离子减薄仪不断地对试样进行减薄，直到最后有一定区域的薄区和数十纳米厚的试样；

注：上述步骤2到4可以替换为使用磨抛机直接作出楔形样品后，利用离子减薄获得最终的样品。

（3）超薄切片法超薄切片方法多用于生物组织、高分子和无机粉体材料等。相较于包埋后机械磨薄的方法，超薄切片方法可非常快捷地准确地获取特定位置、特定取向、特定厚度的样品。

试样要求：对于观察特定方向的试样制备有其优点，但是不适用于延展性较强的试样，如金属，更适用于生物组织，高分子及无机粉体材料。

步骤1：将试样包埋固定好，如果有具体晶体取向或者位置要求，包埋过程中需仔细放置试样位置，使得最终所要观测方向和切片机金刚石刀片相互垂直；

步骤2：选取特定步长（即样品厚度）及切割速度，直接切出可供透射电镜观测的样品。

注意事项：

操作要迅速：要在最短时间内完成取样并迅速投入固定液。所取样品体积不超过1 mm3。

操作要精细：轻轻操作，使用锋利器械时避免拉、锯、压等暴力动作。低温：在0～4℃内操作。

图5 超薄切片机 【图片来自网络】

（4）离子减薄法离子减薄通常用于己被机械减薄过的试样的最终变薄。同时在清洁试样表面的损伤层、非晶层和污染物层方面也得到了广泛的应用。通常用于TEM制样过程中最后一个环节，整个过程靠仪器来进行，相对简单。

试样要求：由于轰击作用所带来的试样减薄是在比较微观的水平上进行的，因此要求试样自身己经减薄到非常薄时才会产生明显的作用。离子减薄法不受材料电性能的影响，即不管材料是否导电，金属或非金属或者二者混合物，不管材料结构多复杂均可用此方法制备薄膜。

步骤1：将样品制成薄片（<100 μm）。

步骤2：将样品放入离子减薄仪，根据薄片厚度和TEM测试要求选择合适的工作电压（一般是kV量级）和工作电流（一般是mA量级）。对于试样本身已经非常薄的薄片，这类离子减薄例如PIPS, Nano Mill和Ion Mill。另一类型减薄力度大，例如Ion Slicer等，可将100 μm厚试样直接减薄，最后获得可用于TEM观察的试样。

图6 TEM mill精密离子减薄仪 【图片来自网络】

（5）电解抛光减薄法电解抛光是靠电化学的作用使试样磨面平整、光洁，具有操作简单、快速、低成本等优点。一般处理大批量的电子背散射衍射（EBSD）试样首选电解抛光。

试样要求：仪器工作原理要求利用物质的电性能所以只能在金属样品中使用。移到电解抛光仪上的试样要求先磨抛粗细一致，以免穿孔位置发生偏移，此外还应确保试样干净。

图7 电解双喷减薄仪 【图片来自网络】

步骤二：首先接通电源并将固定样品置于电解液内，调节抛光电流达到额定值，边搅拌边充分降温或升温以维持电解液温度处于额定值。在此步骤中应注意选用适当抛光剂，电源，阴极板等。试样连接正极，电解液连接负极，电解液由两边喷射到试样上，阴极板有竖直与L型之分，L型电极可增加电解抛光试样的成功率。

步骤二：完成抛光操作，将试样从电解液中移出，再切断电源，然后要迅速在清水中冲洗，也可先冲洗然后用超声波清洗，去除样品表面的电解液以免与样品发生化学反应。

注意事项：抛光后的试样不能太大，电流密度虽可调节，但运行经验证明面积越小试样成功率越大。不同材料的试样电解抛光工艺不一样，所以有必要综合文献并通过大量试验摸索出适宜的抛光剂与抛光参数(如：试剂配方、抛光时间、温度、电解液浓度、搅拌速度等）。

（6）聚焦离子束切割法聚焦离子束（Focused ion beam milling, FIB）扫描电镜双束系统是在SEM的基础上增加了聚焦离子束镜筒的双束设备，使用FIB-SEM切割薄片是获取TEM样品的一种最常用手段，是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。FIB制样普适性强，在制样过程中能够实现电子束-离子束双束成像且易于定位切割，同时也能够通过离子束对试样进行直接轰击减薄得到透射电镜中能够观测到的试样。

试样要求：样品大小5×5×1 cm，当样品过大需切割取样。样品需导电，不导电样品必须能喷金增加导电性，要保证喷涂的导电镀层不会影响观察区域。切割深度必须小于10 μm。

步骤1：将样品制样后放入FIB-SEM当中。

步骤2：在FIB-SEM中进行薄片切割和减薄。

步骤3：取薄片样品根据需要减薄表面离子，然后转TEM观察。

（7）复型技术复型技术是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。复型法分为塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型、萃取复型等。

试样要求：适合电镜下容易起变的试样，也可用于不易成膜的试样。要求试样呈非晶态，分子尺寸较小，导电性好，导热性好，耐轰击并具有足够的强度与刚度。

图9 塑料复型和碳复型原理

① 塑料一级复型

操作步骤：将特定溶液（火棉胶醋酸戊酯或醋酸纤维素丙酮溶液）滴在试样上，溶液在试样表面展平，多余部分用滤纸吸出，溶剂挥发后试样表面留下一层100 nm左右的塑料薄膜。

试样要求：相对于试样表面来讲，是一种负复型，即复型与试样表面的浮雕相反。

② 碳一级复型

操作步骤：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。碳膜一级复型是一种正复型，它与塑料一级复型的区别是：碳膜复型的厚度基本上相同，而塑料复型的厚度随试样位置而异。塑料复型不破坏样品；而碳膜复型破坏样品（分离膜与样品时要电解腐蚀样品）。塑料复型因塑料分子较大，分辨率低（10-20 nm)；碳离子直径小，碳膜复型分辨率高(2 nm)。

③ 塑料-碳二级复型

操作步骤：简单的说，是将碳复型重新制造到塑料的一级复型中，然后将一级复型溶解掉即为二级复型。为提高衬度，可向倾斜15-45绠方向喷施Cr和Au重金属。

技术特点：在配制复型过程中不会对试样原始表面造成损伤，最后复型带重金属投影；不会对试样造成损伤，耐电子束辐照，衬度大，具有良好的稳定性和导热电性；分辨率不高，相当于一级塑料的复型；膜厚度较薄。

图10 二级复型原理图

④ 萃取复型

图11 萃取复型原理图

试样要求：用于对第二相粒子形状、大小和分布以及物相和晶体结构进行分析。

步骤1：将存在第二相析出相的样品深腐蚀，以使第二相裸露出来。

步骤2：在样品上镀上一层碳膜。

步骤3：用电解腐蚀的方法，除去样品基体，得到的就是只有碳膜和第二相粒子的萃取复型样品。

技术特点：从萃取样品中可以观察到第二相颗粒尺寸，形状，分布和晶体结构分析等特征，同时还可以观察到样品基体的组织形态。

表2 不同复型方法的优缺点比较

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