第三章-TEM样品制备技术

中南大学材料科学与工程学院艾延龄E-mail:[e-mail]第三章TEM样品制备技术由于电子束的穿透能力比较低（散射能力强），因此用于TEM分析的样品厚度要非常薄，根据样品的原子序数大小不同，一般在5～500nm之间。要制备这样薄的样品必须通过一些特殊的方法。电镜样品制备方法复型技术化学抛光电解抛光法解理和超薄切片多层膜样品的截面样品制备方法粉末样品的包埋法FIB（聚焦离子束）方法（FocusingIonBeam）电镜样品制备的重要性样品制备对于获得一张满意的电子显微象是至关重要的。对于从事电子显微学研究的科技工作者，不仅要了解和掌握电镜的结构和工作原理，而且应该掌握样品制备的基本技术。电镜样品制备的特点电镜样品制备属于破坏性分析。花费时间很多，有时甚至超过整个研究工作量的一半以上。制样技术随电镜技术的发展而发展的。制样技术分两大类：生物样品制备、材料科学样品制备。本文只讲述材料科学中的制样技术，这些试样大多是有一定硬度的固态物质。制备成薄膜，膜厚取决于电子束的穿透能力和分析要求。电子穿透样品的厚度与电子的能量有关：100kV---100nm；200kV---200nm；高分辨原子像要求的样品厚度应在10nm以下，甚至5nm以下。原始样品形态多种形态：大块状材料、细小颗粒、粉末、纤维状材料、薄片等根据不同的材料，不同的要求，采取不同的制样方法最终样品形态样品台放样品的空间一般为：直径3mm（少数为2.3mm），高约0.3mm。样品必须制成直径3mm，中心厚度100nm-200nm。大块样品切片方法电火花切割金刚刀锯切片线切割一、质厚衬度衬度：眼睛能观察到的或者其它媒介能记录到的光强度或感光度的差异；质厚衬度就是样品中不同部位由于原子序数不同或者密度不同、样品厚度不同，入射电子被散射后能通过物镜光阑参与成像的电子数量不同，从而在图像上体现出的强度的差别。图像衬度与试样参数的关系与原子序数的关系：物质的原子序数越大，散射电子的能力越强，在明场像（物镜光阑只允许散射角小的电子通过）中参与成像的电子越少，图像上相应位置越暗。与试样厚度的关系：设试样上相邻两点的物质种类和结构完全相同，只是电子穿越的厚度不同，则在明场像中，暗的部位对应的试样厚，亮的部位对应的试样薄。与物质密度的关系：试样中不同的物质或者不同的聚集状态，其密度一般不同，也可形成图像的反差，但这种反差一般比较弱。二复型技术复型就是表面形貌的复制（其原理与侦破案件时用的石膏复制罪犯鞋底花纹相似）。通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。用于制备复型的材料的要求：（1）必须是非晶材料；（2）粒子尺寸必须很小；（3）应具备耐电子轰击的性能。主要采用的复型方法：一级复型法、二级复型法、萃取复型法。1、一级复型一级复型是指在试样表面的一次直接复型。一级复型复型主要分为塑料（火棉胶）一级复型和碳膜一级复型，以及氧化膜复型。塑料（火棉胶醋酸戊酯溶液或者醋酸纤维素丙酮溶液－AC纸）一级复型，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；100nm碳膜一级复型是一种正复型，它与塑料一级复型的区别是：1.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。2.塑料复型不破坏样品；而碳膜复型破坏样品。3.塑料复型因塑料分子较大，分辨率低（10-20nm)；碳离子直径小，碳膜复型分辨率高(2nm)。2、二级复型在塑料一级复型上再制作碳复型，就是一种二级复型(a)(b)(c)塑料－碳二级复型的特点（1）制备复型时不破坏样品的原始表面；（2）最终复型带有重金属投影；（3）衬度高，稳定性、导热电性好；（4）分辨率低，与一级塑料复型相当；（5）膜的厚度薄。3、萃取复型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，复型方法和碳一级复型类似。在萃取样品上可在观察样品基体组织形态的同时，观察第二相颗粒的大小、形状、分布以及晶体结构分析。三、粉末样品制备（1）胶粉混合法。在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，然后在玻璃片胶液上放少许粉末并搅匀，再将另一玻璃片压上，两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。一般用于磁性粉末样品且观察倍数不高。(2)支持膜分散粉末法常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末均匀分散地捞在膜上制成待观察的样品。为了防止粉末被电子束打落污染镜筒，可在粉末上再喷一层碳膜，使粉末夹在中间。支持膜分散粉末法是常用的制样方法。四、薄膜样品的制备薄膜样品的要求：1.薄膜样品的组织结构必须和大块样品相同；2.样品相对电子束而言必须有足够的“透明度”；3.薄膜样品应有一定强度和刚度；在样品制备过程中不允许表面产生氧化和腐蚀。A、制备工艺从实物上切取φ3mm×0.3～0.5mm的薄片薄片的预减薄最终减薄1.切片金属薄片的线切割陶瓷薄片的砂轮切割圆片超声波切割2.预先减薄根据试样的不同可采用机械预减薄和化学预减薄。•机械预减薄包括手工砂纸磨光和机械自动凹坑凹坑仪样品3.最终减薄分双喷电解减薄和离子减薄。双喷电解减薄根据材质选区电解液用电解双喷减薄的样品，一般不需要进行挖坑，直接用手工研磨的方法将样品研磨到0.1~0.15mm。电解双喷时，一般要进行冷却，常用液氮加酒精的方法来冷却，尤其是钢铁材料，必须冷却，而且最好用液氮；不过有的材料也可以不用冷却。电解双喷时，要调好电流和电压的值，只有电流和电压的值处于电解抛光的平台时，才能制造出好的样品。序号电解液成分与配比适用材料1乙醇（80ml），冰醋酸(80ml)，高氯酸(15ml)，甘油(10ml)高温合金，耐热钢，铝及其合金。2正磷酸(480ml)，硫酸(50ml)，铬酐(80g)，水(60ml)铝及铝合金3高氯酸(80ml)，冰醋酸(70ml)钢，硅钢4高氯酸(10ml)，乙醇(90ml)镍基合金，硅钢，马氏体时效钢常用电解减薄液110型电解双喷减薄仪离子减薄是采用高能量的Ar离子轰击样品表面，把样品表面上的原子团或分子团剥离样品，离子减薄是最佳的最终减薄方法。Model691离子减薄仪减薄好的样品过减薄的样品横截面样品的制备１.选样品低倍立体显微镜下选样品，表面平坦，没有损伤，不选样品的边缘。用线锯或解理刀把样品切成小块，样品的对角线不超过3mm即可。２.清洁处理无水乙醇------丙酮------两次超声清洗，每次2至3分钟。３.对粘样品清洗后的样品从丙酮里捞出来，自然干燥后，在样品的生长表面里涂上少量胶（MBond610），将两块样品的生长面，面对面粘在一起，快速放入夹具中加压，固定，在130℃左右的加热炉上固化两小时以上，冷却后取出，用线切割机切成薄片，进一步机械减薄。横截面样品的制备(a)(b)(c)谢谢！