TEM制樣方法及詳細步驟

1、由透射電鏡的工作原理可知，供透射電鏡分析的樣品必須對電子束是透明的；此外，所制得的樣品還必須可以真實反映所分析材料的某些特征，因此，樣品制備在透射電子顯微分析技術中占有相當重要的位置，也是一個涉及面很廣的題目。大體上透射電鏡樣品可分為間接樣品和直接樣品。我們下面將對間接樣品的制備作簡單介紹。間接樣品“復型”可以分為五步來進行：第一步，在擬分析的樣品表面滴一滴丙酮，將醋酸纖維素薄膜即A.C.紙覆蓋其上，適當按壓形成不夾氣泡的一級復型；第二步，待上述一級復型干燥后，小心地將其剝離，并將復制面向上平整地固定在玻璃片上；第三步，將固定好復型地玻璃片連同一白瓷片置于真空鍍膜室中，以垂直方向噴涂碳，以制備

2、由塑料和碳膜構成地“復合復型”。白色瓷片表面在噴碳過程中顏色的變化可以表示碳膜的厚度。第四步，將復合復型上要分析的區(qū)域剪為略小于樣品臺鋼網(wǎng)的小方塊后，使碳膜面朝里，貼在事先熔在干凈玻璃片上的低熔點石蠟層上，石蠟液層冷凝后即把復合膜塊固定在玻璃片上。將該玻璃片放入丙酮液中，復合復型的A.C.紙在丙酮中將逐漸被溶解，同時適當加熱以溶解石蠟。最后，待 AC 紙和石蠟溶解干凈后，碳膜（即二級復型）將漂浮在丙酮液中，將其轉移至清潔的丙酮液中清洗后， 再轉移至盛蒸儲水的器皿中。 此時， 由于水的表面張力，碳膜會平展地漂浮在水面，用樣品銅網(wǎng)將其撈起，干燥后即可置于電鏡下觀察。透射電鏡的樣品制備是一項較復雜的

3、技術， 它對能否得到好的 TEM 像或衍射譜是至關重要的.投射電鏡是利用樣品對如射電子的散射能力的差異而形成襯度的，這要求制備出對電子束透明的樣品，并要求保持高的分辨率和不失真.電子束穿透固體樣品的能力主要取決加速電壓， 樣品的厚度以及物質的原子序數(shù).一般來說，加速電壓愈高，原子序數(shù)愈低，電子束可穿透的樣品厚度就愈大.對于 100200KV 的透射電鏡，要求樣品的厚度為 50100nm,做透射電鏡高分辨率，樣品厚度要求約 15nm（越薄越好）透射電鏡樣品可分為：粉末樣品，薄膜樣品，金屬試樣的表面復型.不同的樣品有不同的制備手段，下面分別介紹各種樣品的制備.（1）粉末樣品因為透射電鏡樣品的厚度一

4、般要求在 100nm 以下，如果樣品厚于 100nm,則先要用研缽把樣品的尺寸磨到 100nm 以下，然后將粉末樣品溶解在無水乙醇中，用超聲分散的方法將樣品盡量分散，然后用支持網(wǎng)撈起即可.（2）薄膜樣品絕大多數(shù)的 TEM 樣品是薄膜樣品，薄膜樣品可做靜態(tài)觀察，如金相組織；析出相形態(tài)；分布，結構及與基體取向關系，錯位類型，分布，密度等；也可以做動態(tài)原位觀察，如相變，形變，位錯運動及其相互作用.制備薄膜樣品分四個步驟：a 將樣品切成薄片（厚度 100200 微米），對韌性材料（如金屬），用線鋸將樣品割成小于 200 微米的薄片；對脆性材料（如 S1,GaAs,NaCl,MgO）可以刀將其解理或用金

5、剛石圓盤鋸將其切割，或用超薄切片法直接切割.b 切割成小 3mm 的圓片用超聲鉆或 punchcr 將 mm 薄圓片從材料薄片上切下來.c 預減薄使用凹坑減薄儀可將薄圓片磨至 10 厚.用研磨機磨（或使用砂紙），可磨至幾十11m.d 終減薄對于導電的樣品如金屬，采用電解拋光減薄，這方法速度快，沒有機械損傷，但可能改變樣品表面的電子狀態(tài)，使用的化學試劑可能對身體有害.對非導電的樣品如陶瓷，采用離子減薄，用離子轟擊樣品表面，使樣品材料濺射出來，以達到減薄的目的.離子減薄要調整電壓，角度，選用適合的參數(shù)，選得好，減薄速度快.離子減薄會產生熱，使樣品溫度升至 100300 度，故最好用液氮冷卻樣品.樣

6、品冷卻對不耐高溫的材料是非常重要的，否則材料會發(fā)生相變，樣品冷卻還可以減少污染和表面損傷.離子減薄是一種普適的減薄方法，可用于陶瓷，復合物，半導體，合金，界面樣品，甚至纖維和粉末樣品也可以離子減?。ò阉麄冇脴渲韬虾螅b入小3mm 金屬管，切片后，再離子減薄）.也可以聚集離子術（FIB）對指定區(qū)域做離子減薄，但 FIB 很貴.對于軟的生物和高分子樣品，可用超薄切片方法將樣品切成小于 100nm 的薄膜.這種技術的特點是樣品不會改變，缺點是會引進形變.（3）金屬試樣的表面復型即把準備觀察的試樣的表面形貌（表面顯微組織浮凸）用適宜的非晶薄膜復制下來，然后對這個復制膜（叫做復型）進行透射電鏡觀察與分

7、析.復型適用于金相組織，斷口形貌，形變條紋，磨損表面，第二相形態(tài)及分布，萃取和結構分析等.制備復型的材料本身必須是無結構的，即要求復型材料在高倍成像時也不顯示其本身的任何結構細節(jié)，這樣就不致干擾被復制表面的形貌觀察和分析.常用的復型材料有塑料，真空蒸發(fā)沉積炭膜（均為非晶態(tài)物質）常用的復型有： a 塑料一級復型， 分辨率為 1020nm;b 炭一級復型， 分辨率 2nm,c塑料炭二級復型，分辨率 1020nm;d 萃取復型，可以把要分析的粒子從基體中提取出來，這種分析時不會受到基體的干擾.除萃取復型外，其余復型只不過是試樣表面的一個復制品，只能提供有關表面形貌的信息，而不能提供內部組成相，晶體結

8、構，微區(qū)化學成分等本質信息，因而用復型做電子顯微分析有很大的局限性，目前，除萃取復型外，其他復型用的很少.TRANSMISSIONELECTRONMICROSCOPE利用電子，一般是利用電子透鏡聚焦的電子束，形成放大倍數(shù)很高的物體圖像的設備。電子顯微鏡（以下簡稱電鏡）屬電子光學儀器。由于電子的德布羅意波波長比光波短幾個量級，所以電鏡具有高分辨成像的能力。首先發(fā)明的是透射電鏡，由M.諾爾和E.魯斯卡于1932年發(fā)明并突破了光學顯微鏡分辨極限。透射電子顯微鏡是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，因此可

9、以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.10.2nm,放大倍數(shù)為幾萬百萬倍，用于觀察超微結構，即小于0.2?m、光學顯微鏡下無法看清的結構，又稱“亞顯微結構”。透射電鏡（TEM）樣品必須制成電子能穿透的，厚度為1002000埃的薄膜。 成像方式與光學生物顯微鏡相似， 只是以電子透鏡代替玻璃透鏡。放大后的電子像在熒光屏上顯示出來.透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：吸收像：當電子射到質量、密度大的樣品時，主要的成相作用是散射作用。樣品上質量厚度大的地方對電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理。衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置

10、的衍射波振幅分布對應于樣品中品體各部分不同的衍射能力，當出現(xiàn)晶體缺陷時，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射缽的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。相位像：當樣品薄至100?以下時，電子可以傳過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。組件電子槍：發(fā)射電子，由陰極、柵極、陽極組成。陰極管發(fā)射的電子通過柵極上的小孔形成射線束，經(jīng)陽極電壓加速后射向聚光鏡，起到對電子束加速、加壓的作用。聚光鏡：將電子束聚集，可用已控制照明強度和孔徑角。樣品室：放置待觀察的樣品，并裝有傾轉臺，用以改變試樣的角度，還有裝配加熱、冷卻等設備。物鏡：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像。物鏡是決定透射

11、電子顯微鏡分辨能力和成像質量的關鍵。中間鏡：為可變倍的弱透鏡，作用是對電子像進行二次放大。通過調節(jié)中間鏡的電流，可選擇物體的像或電子衍射圖來進行放大。透射鏡：為高倍的強透鏡，用來放大中間像后在熒光屏上成像。此外還有二級真空泵來對樣品室抽真空、照相裝置用以記錄影像。透射電鏡襯度（反差）的來源TEM襯度的形成，物鏡后焦面是起重要作用的部位。電子經(jīng)樣品散射后，相對光軸以同一角度進入物鏡的電子在物鏡后焦面上聚焦在一個點上。散射角越大，聚焦點離軸越遠，如果樣品是一個晶體，在后焦面上出現(xiàn)的是一幅衍射圖樣。與短晶面間距（或者說高空間頻率）對應的衍射束被聚焦在離軸遠處。在后焦面上設有一個光闌。它截取那一部分電

12、子不但對襯度，而且對分辨本領有直接的影響。如果光闌太小，把需要的高空間頻率部分截去，那么和細微結構對應的高分辨信息就丟失了（見阿貝成像原理）。樣品上厚的部分或重元素多的部分對電子散射的幾率大。 透過這些部分的電子在后焦面上分布在軸外的多。用光闌截去部分散射電子會使質量厚度”大的部位在像中顯得暗。這種襯度可以人為地造成，如生物樣品中用重元素染色，在材料表面的復形膜上從一個方向噴鍍一層金屬，造成陰陽面等。散射吸收（指被光闌擋?。┮r度是最早被人們所認識和利用的襯度機制。就表面復型技術而言，它的分辨本領可達幾十埃。至于晶體樣品的衍襯像和高分辨的點陣像的襯度來源，見點陣像和電子衍襯像。應用透射電子顯微鏡

13、在材料科學、生物學上應用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最后的成像質量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50100nm所以用透射電子顯微鏡觀察時的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對于液體樣品，通常是掛預處理過的銅網(wǎng)上進行觀察。透射電鏡的樣品制備是一項較復雜的技術， 它對能否得到好的 TEM 像或衍射譜是至關重要的.投射電鏡是利用樣品對如射電子的散射能力的差異而形成襯度的，這要求制備出對電子束透明的樣品，并要求保持高的分辨率和不失真.電子束穿透固體樣品的能力主要取決加速電壓， 樣品的厚度以及物質的原子

14、序數(shù).一般來說，加速電壓愈高，原子序數(shù)愈低，電子束可穿透的樣品厚度就愈大.對于 100200KV 的透射電鏡，要求樣品的厚度為 50100nm,做透射電鏡高分辨率，樣品厚度要求約 15nm（越薄越好）._+n*a8c$m2n4b透射電鏡樣品可分為：粉末樣品，薄膜樣品，金屬試樣的表面復型.不同的樣品有不同的制備手段，下面分別介紹各種樣品的制備.？|*D$h15Q3:G$f%xh5h1G（1）粉末樣品因為透射電鏡樣品的厚度一般要求在 100nm 以下，如果樣品厚于 100nm,則先要用研缽把樣品的尺寸磨到 100nm 以下，然后將粉末樣品溶解在無水乙醇中，用超聲分散的方法將樣品盡量分散，然后用支持

15、網(wǎng)撈起即可.7o8#b.m+y;L+|9q0y3c（2）薄膜樣品絕大多數(shù)的 TEM 樣品是薄膜樣品，薄膜樣品可做靜態(tài)觀察，如金相組織；析出相形態(tài)；分布，結構及與基體取向關系，錯位類型，分布，密度等；也可以做動態(tài)原位觀察，如相變，形變，位錯運動及其相互作用.制備薄膜樣品分四個步驟：a 將樣品切成薄片（厚度 100200 微米），對韌性材料（如金屬），用線鋸將樣品割成小于 200 微米的薄片；對脆性材料（如 S1,GaAs,NaCl,MgO）可以刀將其解理或用金剛石圓盤鋸將其切割，或用超薄切片法直接切割.b 切割成小 3mm 的圓片用超聲鉆或 punchcr 將 mm 薄圓片從材料薄片上切下來.c

16、 預減薄使用凹坑減薄儀可將薄圓片磨至 10 厚.用研磨機磨（或使用砂紙），可磨至幾十 m.4c!y6D1Rd 終減薄對于導電的樣品如金屬，采用電解拋光減薄，這方法速度快，沒有機械損傷，但可能改變樣品表面的電子狀態(tài)，使用的化學試劑可能對身體有害.；E4S&d（S;iX-N!?6j對非導電的樣品如陶瓷，采用離子減薄，用離子轟擊樣品表面，使樣品材料濺射出來，以達到減薄的目的.離子減薄要調整電壓，角度，選用適合的參數(shù)，選得好，減薄速度快.離子減薄會產生熱，使樣品溫度升至 100300 度，故最好用液氮冷卻樣品.樣品冷卻對不耐高溫的材料是非常重要的，否則材料會發(fā)生相變，樣品冷卻還可以減少污染和表

17、面損傷.離子減薄是一種普適的減薄方法，可用于陶瓷，復合物，半導體，合金，界面樣品，甚至纖維和粉末樣品也可以離子減?。ò阉麄冇脴渲韬虾螅b入小3mm 金屬管，切片后，再離子減?。?也可以聚集離子術（FIB）對指定區(qū)域做離子減薄，但 FIB 很貴.+B2A?p#781I對于軟的生物和高分子樣品，可用超薄切片方法將樣品切成小于 100nm 的薄膜.這種技術的特點是樣品不會改變，缺點是會引進形變.（3）金屬試樣的表面復型即把準備觀察的試樣的表面形貌（表面顯微組織浮凸）用適宜的非晶薄膜復制下來，然后對這個復制膜（叫做復型）進行透射電鏡觀察與分析.復型適用于金相組織，斷口形貌，形變條紋，磨損表面，第二相

18、形態(tài)及分布，萃取和結構分析等.制備復型的材料本身必須是無結構的，即要求復型材料在高倍成像時也不顯示其本身的任何結構細節(jié)，這樣就不致干擾被復制表面的形貌觀察和分析.常用的復型材料有塑料，真空蒸發(fā)沉積炭膜（均為非晶態(tài)物質）.x9R-U1!P#R常用的復型有：a 塑料一級復型，分辨率為 1020nm;b 炭一級復型，分辨率 2nm,c塑料炭二級復型，分辨率 1020nm;d 萃取復型，可以把要分析的粒子從基體中提取出來，這種分析時不會受到基體的干擾.除萃取復型外，其余復型只不過是試樣表面的一個復制品，只能提供有關表面形貌的信息，而不能提供內部組成相，晶體結構，微區(qū)化學成分等本質信息，因而用復型做電子

19、顯微分析有很大的局限性，目前，除萃取復型外，其他復型用的很少.一、樣品要求1 .粉末樣品基本要求(1)單顆粉末尺寸最好小于1艮m(2)無磁性；(3)以無機成分為主，否則會造成電鏡嚴重的污染，高壓跳掉，甚至擊壞高壓槍；2 .塊狀樣品基本要求(1)需要電解減薄或離子減薄，獲得幾十納米的薄區(qū)才能觀察；(2)如晶粒尺寸小于1仙m也可用破碎等機械方法制成粉末來觀察；(3)無磁性；(4)塊狀樣品制備復雜、耗時長、工序多、需要由經(jīng)驗的老師指導或制備；樣品的制備好壞直接影響到后面電鏡的觀察和分析。 所以塊狀樣品制備之前， 最好與TEM勺老師進行溝通和請教，或交由老師制備。二、送樣品前的準備工作1 .目的要明確

20、：(1)做什么內容(如確定納米棒的生長方向，特定觀察分析某個晶面的缺陷，相結構分析，主相與第二相的取向關系，界面晶格匹配等等)；(2)希望能解決什么問題；2 .樣品通過X-Ray粉末衍射(XRD測試、并確定結構后，再決定是否做HRTEM這樣即可節(jié)省時間，又能在XRD的基礎上獲得更多的微觀結構信息。3.做HRTEMf,請帶上XRDR據(jù)及其他實驗結果，與HRTE旭師進行必要的溝通，以判斷能否達到目的；同時HRTE旭師還會根據(jù)您的其他實驗數(shù)據(jù)，向您提供好的建議，這樣不但能滿足您的要求，甚至使測試內容做得更深，提高論文的檔次。三、粉末樣品的制備1 .選擇高質量的微柵網(wǎng)(直徑3mm,這是關系到能否拍攝出

21、高質量高分辨電鏡照片的第一步；(注：高質量的微柵網(wǎng)目前本實驗室還不能制備，是外購的，價格20元/只；普通碳膜銅網(wǎng)免費提供使用。)2 .用銀子小心取出微柵網(wǎng)，將膜面朝上(在燈光下觀察顯示有光澤的面，即膜面)，輕輕平放在白色濾紙上；3 .取適量的粉末和乙醇分別加入小燒杯，進行超聲振蕩1030min,過35min后，用玻璃毛細管吸取粉末和乙醇的均勻混合液，然后滴23滴該混合液體到微柵網(wǎng)上（如粉末是黑色，則當微柵網(wǎng)周圍的白色濾紙表面變得微黑，此時便適中。滴得太多，則粉末分散不開，不利于觀察，同時粉末掉入電鏡的幾率大增，嚴重影響電鏡的使用壽命；滴得太少，則對電鏡觀察不利，難以找到實驗所要求粉末顆粒。建議

22、由老師制備或在老師指導下制備。）4 .等15min以上，以便乙醇盡量揮發(fā)完畢；否則將樣品裝上樣品臺插入電鏡，將影響電鏡的真空。四、塊狀樣品制備1 .電解減薄方法用于金屬和合金試樣的制備。（1）塊狀樣切成約0.3mm厚的均勻薄片；（2）用金剛砂紙機械研磨到約120150m厚；（3）拋光研磨到約100厚；（4）沖成3mmi勺圓片；（5）選擇合適的電解液和雙噴電解儀的工作條件，將3mm勺圓片中心減薄出小孔；（6）迅速取出減薄試樣放入無水乙醇中漂洗干凈。注意事項：（1）電解減薄所用的電解液有很強的腐蝕性，需要注意人員安全，及對設備的清洗；（2）電解減薄完的試樣需要輕取、輕拿、輕放和輕裝，否則容易破碎，

23、導致前功盡棄；2 .離子減薄方法用于陶瓷、半導體、以及多層膜截面等材料試樣的制備。塊狀樣制備（1）塊狀樣切成約0.3mm厚的均勻薄片；（2）均勻薄片用石蠟粘貼于超聲波切割機樣品座上的載玻片上；（3）用超聲波切割機沖成3mm勺圓片；（4）用金剛砂紙機械研磨到約100Nm厚；（5）用磨坑儀在圓片中央部位磨成一個凹坑，凹坑深度約50-70m凹坑目的主要是為了減少后序離子減薄過程時間，以提高最終減薄效率；（6）將潔凈的、已凹坑的3mmi片小心放入離子減薄儀中，根據(jù)試樣材料的特性，選擇合適的離子減薄參數(shù)進行減薄；通常，一般陶瓷樣品離子減薄時間需23天；整個過程約5天注意事項：(1)凹坑過程試樣需要精確的

24、對中，先粗磨后細磨拋光，磨輪負載要適中，否則試樣易破碎；(2)凹坑完畢后，對凹坑儀的磨輪和轉軸要清洗干凈；(3)凹坑完畢的試樣需放在丙酮中浸泡、清洗和涼干；(4)進行離子減薄的試樣在裝上樣品臺和從樣品臺取下這二過程，需要非常的小心和細致的動作，因為此時3mmi片試樣的中心已非常薄，用力不均或過大，很容易導致試樣破碎。(5)需要很好的耐心，欲速則不達。透射電鏡的樣品制備是一項較復雜的技術， 它對能否得到好的 TEM 像或衍射譜是至關重要的.投射電鏡是利用樣品對如射電子的散射能力的差異而形成襯度的，這要求制備出對電子束透明的樣品，并要求保持高的分辨率和不失真.電子束穿透固體樣品的能力主要取決加速電

25、壓，樣品的厚度以及物質的原子序數(shù).一般來說，加速電壓愈高，原子序數(shù)愈低，電子束可穿透的樣品厚度就愈大.對于 100200KV 的透射電鏡，要求樣品的厚度為 50100nm,做透射電鏡高分辨率，樣品厚度要求約 15nm(越薄越好)透射電鏡樣品可分為：粉末樣品，薄膜樣品，金屬試樣的表面復型.不同的樣品有不同的制備手段，下面分別介紹各種樣品的制備.(1)粉末樣品因為透射電鏡樣品的厚度一般要求在 100nm 以下，如果樣品厚于 100nm,則先要用研缽把樣品的尺寸磨到 100nm 以下，然后將粉末樣品溶解在無水乙醇中，用超聲分散的方法將樣品盡量分散，然后用支持網(wǎng)撈起即可.(2)薄膜樣品絕大多數(shù)的 TEM 樣品是薄膜樣品，薄膜樣品可做靜態(tài)觀察，如金相組織；析出相形態(tài)；分布，結構及與基體取向關系，錯位類型，分布，密度等；也可以做動態(tài)原位觀察，如相變，形變，位錯運動及其相互作用.制備薄膜樣品分四個步驟：a 將樣品切成薄片(厚度 100200 微米)，對韌性材料(如金屬)，用線鋸將樣品割成小于 200 微米的薄片；對脆性材料(如 S1,GaAs,NaCl,MgO）可以刀將其解理或用金剛石圓盤鋸將其切割，或用超薄切片法直接切割.b 切割成小 3mm 的圓片用超聲鉆或 punchcr 將 mm 薄圓片從材料薄片上切下來.c 預減薄使用凹坑減薄儀可將薄圓片磨至 1