引言

利用電子顯微鏡的高分辨本領、高放大倍率等特點來分析研究物體的組織形貌、結構特征的一種近代材料物理試驗方法。但是樣品制作的好壞直接關系到結果的準确，因而制作出符合要求的樣品成為整個實驗的關鍵。下面介紹幾種常用電鏡的制樣方法。

透射電鏡（TEM）

TEM放大倍數可達近百萬，可以看到在光學顯微鏡下無法看清的0.1～0.2nm的細微結構。其樣品制備工作量很大，占整個測試工作的一半以上，甚至超過90％，十分關鍵。

圖 透射電鏡

樣品台

常用樣品台分為兩種：頂入式樣品台和側插式樣品台

• 頂入式樣品台

要求樣品室空間大，一次可放入多個（常見為6個）樣品網，樣品網盛載杯呈環狀排列，使用時可以依靠機械手裝置進行依次交換。

優點：每觀察完多個樣品後，才在更換樣品時破壞一次樣品室的真空，比較方便、省時間。

缺點：但所需空間太大，緻使樣品距下面物鏡的距離較遠，不适于縮短物鏡焦距，會影響電鏡分辨力的提高。

• 側插式樣品台

樣品台制成杆狀，樣品網載放在前端，隻能盛放1～2個銅網。

優點：樣品台的體積小，所占空間也小，可以設置在物鏡内部的上半端，有利于電鏡分辨率的提高。

缺點：不能同時放入多個樣品網，每次更換樣品必須破壞一次樣品室的真空，略嫌不便。

支撐網的選擇：支撐網有多種材質如Cu、Ni、Be、尼龍等，選擇時要與待分析樣品的成分分開。

圖 篩網尺寸

制備原則

• 簡單
• 不破壞樣品表面
• 獲得盡量大的可觀測薄區

主要制備方法

• 支持膜法：
• 複型法：
• 超薄切片法：
• 薄膜試樣（電解雙噴減薄，離子減薄，FIB等）

1. 支持膜法

适用範圍：納米顆粒（防止樣品從銅網縫隙中漏出）

支持膜種類：

微栅膜

FIB微栅膜

純碳微栅膜

多孔碳膜

Quantifoil規則多孔膜

C-flat純碳多孔支持膜等

圖 支持膜法

制備過程：

• 制備支持膜：在銅網上覆蓋一層有機膜後噴碳
• 選擇分散劑：根據樣品性質選擇，常用無水乙醇
• 分散：使用超聲波或攪拌将粉末分散成懸浮液

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，用滴管滴幾滴懸浮液在支持膜上，保持夾持狀态至幹燥（推薦）

（b）撈取：用鑷子夾持載網浸入溶液撈取液滴（缺點：雙面挂樣

制備關鍵和注意事項：

• 樣品粉末能否在支持膜上均勻分布
• 确保實驗過程中未帶入污染物

2.複型法

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

适用範圍：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：非晶态、分子尺寸小、導電性、導熱性良好，耐轟擊，有足夠的強度和剛度。

複型法分類：塑料一級複型、碳一級複型、塑料-碳二級複型、萃取複型。

（1）塑料一級複型

樣品上滴特定溶液，溶液在樣表面展平，多餘的用濾紙吸掉，溶劑蒸發後樣品表面留下一層100nm左右的塑料薄膜。

圖 塑料一級複型

（2）碳一級複型

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行電解或化學分離後分離出的碳膜即可用于分析。

圖 碳一級複型

（3）萃取複型

圖 萃取複型

（4）塑料-碳二級複型

簡單地說，在塑料一級複型上再制作碳複型，就是二級複型。分辨率與塑料一級複型相當，不破壞樣品，耐電子束照射，複型帶有重金屬投影。

圖 碳二級複型

3. 超薄切片法

适用範圍：生物組織、較軟的無機材料等。

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：

• 迅速：最短時間内取樣,投入固定液
• 體積小：所取樣品體積不超過1mm3
• 輕：輕輕操作，使用鋒利器械，避免拉、鋸、壓
• 準确：所取部位有代表性
• 低溫：在0～4℃内操作

4.離子剪薄法

适用範圍：用于非金屬材料或非均勻金屬

制備過程：

• 預處理：按預定取向切割成薄片，機械抛光減薄到幾十μm，把邊長/直徑切割至<3mm。
• 裝入離子轟擊裝置：
• 抛光：獲得平坦而寬大的薄區。

圖 離子剪薄法

5.電解雙噴減薄法

适用範圍：隻能制備金屬試樣，首選大塊金屬。

樣品準備：

• 磨抛厚度均勻，避免穿孔偏
• 樣品保證清潔
• 多準備一些試樣，試合适的條件

制備步驟：

• 樣品接正極、電解液接負極，電解液從兩側噴向樣品
• 樣品穿孔後，自動停機
• 獲得中間薄，邊緣厚，呈面窩狀的TEM薄膜樣品

電解液選擇：根據樣品；不損傷儀器

優點：條件易控制，快速，重複性好，成功率較高。

圖 電解雙噴減薄法原理圖

6. 聚焦離子束法（FIB）

适用範圍：适用于半導體器件的高精度切割與線路修複。

原理：使用來源于液态金屬镓的離子束，通過調整束流強度，快速、精細地加工指定區域。

方法：銑削階梯法，削薄法（H-bar）

銑削階梯法：

• 預處理：銑削出兩個反向的階梯槽，中間留出極薄的TEM試樣
• 标記：刻蝕出定位标記
• 定位：用離子束掃描定位标記，确定銑削區域
• 銑削：自動或手動完成銑削加工

圖 銑削階梯法制備的樣品TEM照片

削薄法（H-bar）：

• 使用機械切割和研磨等方法将試樣做到50-100μm厚
• 使用FIB沉積一層Pt保護層
• 使用FIB銑削掉兩側的材料

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單，不需要包埋和切片。

樣品要求：

樣品必須是固體；滿足無毒，無放射性，無污染，無磁，無水，成分穩定要求。

制備原則：

• 表面受到污染的試樣，要在不破壞試樣表面結構的前提下進行适當清洗，然後烘幹；
• 新斷開的斷口或斷面，一般不需要進行處理，以免破壞斷口或表面的結構狀态；
• 要侵蝕的試樣表面或斷口應清洗幹淨并烘幹；
• 磁性樣品預先去磁；
• 試樣大小要适合儀器專用樣品座尺寸。

常用方法：

• 塊狀樣品

塊狀導電材料：無需制樣，用導電膠把試樣粘結在樣品座上，直接觀察。

塊狀非導電（或導電性能差）材料：先使用鍍膜法處理樣品，以避免電荷累積，影響圖像質量。

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，将被測樣品顆粒借助于棉球直接散落在上面，用洗耳球輕吹試樣，除去附着的和未牢固固定的顆粒。
• 把載有顆粒的玻璃片翻轉過來，對準已備好的試樣台，用小鑷子或玻璃棒輕輕敲打，使細顆粒均勻落在試樣台。

超聲分散法：将少量的顆粒置于燒杯中，加入适量的乙醇，超聲震蕩5分鐘後，用滴管加到銅片上，自然幹燥。

鍍膜法

• 真空鍍膜

真空蒸發鍍膜法(簡稱真空蒸鍍)是在真空室中，加熱蒸發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，凝結形成固态薄膜的方法。

• 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，産生正的氣體離子；在陰極（靶）和陽極（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，從各個方向濺出，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：

• 對于任何待鍍材料，隻要能做成靶材，就可實現濺射（适合制備難蒸發材料，不易得到高純度的化合物所對應的薄膜材料）；
• 濺射所獲得的薄膜和基片結合較好；
• 消耗貴金屬少，每次僅約幾毫克；
• 濺射工藝可重複性好，膜厚可控制，同時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、反應濺射。

1．直流濺射

圖 直流濺射沉積裝置示意圖

已很少用，因為沉積速率太低~0.1μm/min,基片升溫，靶材必須導電，高的直流電壓，較高的氣壓。

優點：裝置簡單，容易控制，支模重複性好。

缺點：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，隻能用金屬靶（絕緣靶導緻正離子累積）

2．射頻濺射

圖 射頻濺射工作示意圖

射頻頻率：13.56MHz

特點：

• 電子作振蕩運動，延長了路徑，不再需要高壓。
• 射頻濺射可制備絕緣介質薄膜
• 射頻濺射的負偏壓作用，使之類似直流濺射。

3．磁控濺射

原理：以磁場改變電子運動方向，并束縛和延長電子的運動軌迹，提高了電子對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行濺射，同時受正交電磁場束縛的電子又約束在靶附近，隻能在其能量耗盡時才能沉積的基片上。

圖 磁控濺射原理示意圖

特點：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：

• 靶材利用率低（10%-30%），靶表面不均勻濺射；
• 反應性磁控濺射中的電弧問題；
• 薄膜不夠均勻
• 濺射裝置比較複雜

反應濺射

在濺射氣體中加入少量的反應氣體如氮氣，氧氣，烷類等，使反應氣體與靶材原子一起在襯底上沉積，對一些不易找到塊材制成靶材的材料，或濺射過程中薄膜成分容易偏離靶材原成分的，都可利用此方法。

反應氣體：O2，N2，NH3，CH4，H2S等

鍍膜操作

将制好的樣品台放在樣品托内，置于離子濺射儀中，蓋好頂蓋，擰緊螺絲，打開電源抽真空。待真空穩定後，約為5 X10-1mmHg，按下“啟動”按鈕，通過調節針閥将電流調至6~8mA，開始鍍金，鍍金一分鐘後自動停止，關閉電源，打開頂蓋螺絲，放氣，取出樣品即可。

圖 Cressington 108Auto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(Cryo-SEM)可實現直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。樣品經過超低溫冷凍、斷裂、鍍膜制樣（噴金/噴碳）等處理後，通過冷凍傳輸系統放入電鏡内的冷台（溫度可至-185℃）即可進行觀察。

适用範圍：塑料，橡膠及高分子材料，組織化學，細胞化學等

樣品制備要求：能夠保持本身的結構，又能抗脫水和電子輻射

方法：

（a）通過快速冷凍使含水樣品中的水處于玻璃态，也就是在親水的支持膜上将含水樣品包埋在一層較樣品略高的薄冰内。

圖 液氮冷凍

（b）通過噴霧冷凍裝置（spray-freezing equipment），利用結合底物混合冰凍技術 (spray-freezing)，可以把兩種溶液（如受體和配體）在極短的時間内混合起來 (ms量級)，然後快速冷凍。

圖 噴霧冷凍裝置

金相制樣

金相分析在材料研究領域占有十分重要的地位，是研究材料内部組織的主要手段之一。采用定量金相學原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來确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系。

制樣過程：樣品切割、鑲嵌樣品、機械制樣、檢驗樣品

樣品切割

方法：金相最适合的切割方法是濕式切割輪切割法。

優點：所造成的損傷與所用的時間相比是最小的

切割片的選擇：主要依據材料的硬度和韌性進行選擇。

圖 砂輪片的選擇

陶瓷和燒結碳化物：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：碳化矽（SiC）切割片

鑲嵌樣品

金相樣品鑲嵌（以下簡稱鑲樣），是指在試樣尺寸較小或者形狀不規則導緻研磨抛光苦難而進行的鑲嵌或夾持來使試樣抛磨方便，提高工作效率及實驗的準确性的工藝方法。

鑲樣一般分為冷鑲和熱鑲。

冷鑲應用：對溫度及壓力極敏感的材料，以及微裂紋的試樣，應采用冷鑲的方式，将不會引起試樣組織的變化。

圖 冷鑲示意圖

冷鑲材料：一般包括環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚脂樹脂。

• 環氧樹脂：收縮率低，固化時間長；邊緣保護好，用于真空浸漬，适用于多孔性材料；
• 丙烯酸樹脂：黃色或白色，固化時間短，适用于大批量形狀不規則的試樣鑲樣；對有裂紋或孔隙的試樣有較好的滲透性；特别适用于印刷電路闆封裝；
• 聚酯樹脂：黃色、透明、固化時間較長；适用于大批量無孔隙的試樣制樣，适用期長；

真空浸漬：多孔材料（如陶瓷或熱噴塗層）需要進行真空浸漬。樹脂可強化這些脆弱的材料，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）。隻有環氧樹脂可用于真空浸漬，因為它們具有低粘度和低蒸汽壓特性。可将熒光染料與環氧樹脂混合使用，以便于在熒光燈下找出一切填充過的孔隙。

圖 冷鑲制樣 圖片來源：司特爾公司

熱鑲應用：适用于低溫及壓力不大的情況下不發生變形的樣品。

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（環氧樹脂加固化劑）及醫用牙托粉加牙托水等。膠木粉不透明，有各種顔色，而且比較硬，試樣不易倒角，但抗強酸強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。

熱鑲試樣圖片來源：司特爾公司

機械制樣

機械制樣可分兩種操作：研磨和抛光

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随後的抛光過程中用很短的時間就可以消除掉。

研磨分為粗磨和細磨兩個過程。

• 粗磨 粗磨的過程是将所有樣品的表面成為相似的表面，使用較為粗大的、固定的研磨顆粒可迅速地研磨掉物質。
• 精磨 精磨會使樣品有些微變形，但這些變形在抛光過程中就會消除掉。

2.抛光

抛光如同研磨一樣，也必須去掉前面工序帶來的損傷。可分為金剛石抛光和氧化物抛光兩個過程。

• 金剛石抛光 隻有将金剛石作為研磨料進行抛光，才能以最快速度獲得最好的研磨平面。這是因為金剛石很硬，它幾乎可以切任何材料和相。
• 氧化物抛光 對于特别軟、韌性的樣品，須采用氧化物抛光法。

抛光在抛光布上完成。金剛石抛光時還須用到潤滑劑。

研磨和抛光設備

檢驗樣品

抛光後檢測部位變得光亮，觀察組織時，需先對樣品檢測部位進行侵蝕，完畢後用酒精沖淋并用吹風機吹幹。

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