四大常见电镜制样方法简介：TEM、SEM、冷冻、金相

引言

应用电子显微镜高分辨本领和高放大倍率，对物体组织形貌和结构特征进行分析和研究的近代材料物理测试方法。但样品的制作直接影响着结果的准确性，所以制作满足要求的样品就成了整个试验的重点。现将一些常见电镜制样方法简介如下。

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。它的样品制备工作量非常大，约占全部测试工作的半数以上或90%以上，是十分关键的。

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：但是需要的空间过大，使样品远离下方物镜，不宜减小物镜焦距而影响电镜分辨力。

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：样品台体积较小且占用空间较少，可布置于物镜内上部，利于提高电镜分辨率。

缺点：不可能一次投入多个样品网中，每换一个样品都要打破一次样品室内真空，稍有不方便。

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 筛网尺寸

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：用镊子将覆盖支持膜的铜网夹住，并用滴管向支持膜上滴入数滴悬浮液，使其保持夹持状态直至干燥为止（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：利用电子束透明膜（碳、塑料、氧化物薄膜）复制材料表面或者断口形态的间接试样制备方法。

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

利用真空镀膜装置将碳膜蒸镀于试样表面，将试样置于真空镀膜装置内，将试样置于所配的分离液内经电解或者化学分离得到分离碳膜便可应用于分析。

图 碳一级复型

（3）萃取复型

图 萃取复型

（4）塑料-碳二级复型

通俗地说，塑料的一级复型中又制造出碳复型即为二级复型。分辨率相当于塑料的一级复型，对试样无损害，耐电子束辐照，复型带重金属投影。

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：采用从液态金属镓中提取离子束，并通过调节束流强度对指定区域进行快速精细处理。

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）

扫描电镜样品制备比透射电镜样品制备简单，无需包埋和切片。

样品要求：

样品须为固体；达到无毒、无放射性、无污染、无磁性、无水分、组分稳定。

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：

• 双面胶粘于铜片表面，借助棉球使被测样品颗粒直接撒布于其上，并用洗耳球对样品进行轻吹以去除粘附的、没有被牢固地固定的粒子。
• 将装有颗粒的玻璃片翻起，对着已准备好的试样台用小镊子或者玻璃棒轻敲，使细颗粒能够均匀地落入试样台上。

超声分散法：将少量颗粒放入烧杯内，加乙醇适量，超声震荡5分钟，然后用滴管加入铜片内，使其自然干燥。

镀膜法

真空镀膜

真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）就是将蒸发容器内需要成膜的原材料在真空室内进行加热，将蒸发容器内的原子或分子气化并从表面逸出，一种形成蒸气流并将其射入固体（称为衬底或基片）的表面以冷凝成固态薄膜的工艺。

离子溅射镀膜

原理：离子溅射镀膜在局部真空溅射室内辉光放电生成正向气体离子；在阴极（靶）与阳极（试样）之间电压加速时，荷正电离子轰击阴极表面并原子化阴极表面材料；生成的中性原子，向四面八方飞溅，射落在样品表面，从而在样品表面生成了均匀的薄膜。

特点：

• 对任何待镀材料来说，溅射都是可能的，只要它能够制成靶材即可（适用于难蒸发材料和不容易获得高纯度化合物的相应薄膜材料的制备）；
• 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；
• 溅射工艺具有良好的可重复性，膜厚可控，同时能在大范围基片表面得到厚度均一的膜。
• 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

已经很少使用了，由于沉积速率过低~0.1μm/min、基片加热、靶材导电、直流电压和气压都必须很高。

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：用磁场使电子移动方向发生变化，电子移动轨迹被束缚与拉长，工作气体中电子电离几率增加，电子能量得到高效利用。由此使得正离子轰击靶材产生的靶材溅射变得更高效，可以在更低气压下溅射，而被正交电磁场捆绑的电子则会被束缚于靶材周围，仅能在它们能量消耗殆尽后沉积下来的基片中溅射。

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

溅射气体添加氮气、氧气、烷类等少量反应气体，反应气体和靶材原子共同沉积于衬底上，对于某些不容易发现块材而制造靶材的物质，或者溅射时薄膜成分易偏离靶材原成分，均可用此法进行。

反应气体：O2，N2，NH3，CH4，H2S等

镀膜操作

将制备完成的样品台放置在样品托上，放入离子溅射仪，加盖，旋紧螺丝并开启电源抽真空。当真空趋于稳定时，在5 X10-1mmHg左右，按下“启动”键，用调节针阀把电流调节到6~8mA,开始镀金，镀金1分钟后即自动停止镀金，关好电源、打开顶盖螺丝、放掉气体、取下试样即成。

图 Cressington 108Auto高性能离子溅射仪

冷冻电镜制样

冷冻电镜是扫描电镜超低温冷冻制样传输技术（Cryo-SEM）可以实现液体，半液体和电子束敏感样品的直接观测，例如生物和高分子材料。样品经超低温冷冻，断裂和镀膜制样（喷金/喷碳）后可由冷冻传输系统置于电镜中的冷台上（温度可至-185 C）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）采用喷雾冷冻装置（spray-freezing equipment），结合基质混合冷冻技术（spray-freezing），可在极短时间内将两种溶液（如受体和配体）混合（ms量级），然后快速冷冻。

图 喷雾冷冻装置

金相制样

金相分析是材料研究领域中非常重要的一个环节，也是材料内部组织研究的一种主要方法。利用定量金相学原理通过对二维金相试样磨面或者薄膜进行金相显微组织测量与计算，确定合金组织在三维空间中的形态，进而建立合金成分，组织与性能之间定量关系。

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

金相样品镶嵌技术（以下简称镶样）是将试样尺寸小或形状不规则造成研磨抛光痛苦时镶嵌或夹持，以便于试样抛磨，提高工作效率和实验精度的一种工艺方法。

镶样一般分为冷镶和热镶。

冷镶应用：对于温度和压力极为敏感材料、和微裂纹试样要进行冷镶，会使试样组织不发生改变。

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：黄或白，固化时间较短，适合批量大、形状不规整样品镶样；对于含裂纹或者孔隙的试件渗透性更好；尤其是对印刷电路板的封装；
• 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）需真空浸渍。树脂能增强这些脆弱材料并能尽量减少制备缺陷（例如抽出，开裂或未开孔等）。只有环氧树脂由于其低粘度、低蒸汽压的性质，才能在真空浸渍中使用。荧光染料和环氧树脂可以被混合以方便地发现荧光灯中所有被充填的孔隙。

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，通常多用塑料做镶嵌材料。镶嵌材料包括热凝性塑料（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）和医用牙托粉与牙托水。胶木粉不透光、色泽多样、且较坚硬、样品不易倒角、但抗强酸、强碱耐腐蚀性较差。聚氯乙烯呈半透明或透明状，抗酸碱耐腐蚀性能良好，但柔软。

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

研磨的终极目标就是要得到损伤最小的平表面。这些小损伤会在后续抛光中短时间内被去除。

研磨分为粗磨和细磨两个过程。

• 粗磨粗磨过程就是把全部试样表面变成一个类似的面，用比较粗的固定研磨颗粒就能快速磨去材料。
• 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

抛光就像研磨，还得除去前道工序造成的伤害。它可以分为金刚石抛光与氧化物抛光两大工序。

• 金刚石抛光唯有把金刚石当作研磨料来抛光才有可能在最快的时间内得到最佳研磨平面。其原因是金刚石非常坚硬，几乎能切割所有的物质和相态。
• 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

打磨后的检测部位变的发亮，在观察组织的时候需要先将试样的检测部位腐蚀掉，做好之后使用酒精冲淋，使用吹风机吹扫。