分析电子显微学第2章透射电子显微镜样品的制备方法

第二章透射电子显微镜样品的制备方法2.1表面复型技术2.1.1一级复型2.1.2塑料－碳二级复型2.1.3抽取复型2.2粉末样品和薄膜制备2.2.1粉末样品2.2.2薄膜样品的制备2.3大块晶体样品制成薄膜的技术2.3.1金属块体制成薄膜样品2.3.2无机非金属块体制成薄膜样品2.3.3高分子块体制成薄膜样品2.3.4聚焦离子束方法第二章透射电子显微镜样品的制备方法本章要点1.复型技术基本过时，但萃取复型对析出相的研究和二级复型对无损大件断口上的研究仍具特点；2.截面样品能提供许多丰富和重要的信息，因此，对具有复杂过程的截面样品制备方法的掌握就非常重要；3.块体样品，包括金属和无机非金属样品制成电子显微镜观察的薄膜样品，双喷电解抛光技术和离子减薄技术是关键；4.对于层状结构的材料和脆性的半导体材料可采用解理法制备薄膜样品；5.聚焦离子束是一种新型的制备薄膜样品的方法，它可实现对样品特定微区进行TEM制样，尽管仪器昂贵，但逐步被用户认可。2.1表面复型技术透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是“透明的”。电于束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压和样品物质原子序数。加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透样品厚度就越大，如图2.1所示。对于透射电子显微镜常用的加速电压100kV，如果样品是金属，其平均原子序数在Cr的原子序数附近，因此适宜的样品厚度约200nm。图2.1可穿透厚度t与加速电压U的关系2.1表面复型技术显然，要制备这样薄的金属样品不是一件轻而易举的事情。因此，当透射电子显微镜诞生后，首先被应用于观察医学生物样品，而金属样品，遇到的困难就是样品制备问题。20世纪40年代初期才出现了“复型”技术，即把金相试样表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制薄膜（叫做“复型”）放到透射电子显微镜中去观察分析，这样才使透射电子显微镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。2.1表面复型技术用于制备复型的材料本身必须是“无结构”的（或“非晶体”的），也就是说，要求复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，它们都是非晶体。根据复型所用的材料和制备方法，常见的复型有以下四种：塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型和抽取复型（萃取复型），如图2.2所示。2.1表面复型技术图2.2四种常见的复型(a)塑料一级复型(b)碳一级复型(c)塑料-碳二级复型(d)抽取复型2.1表面复型技术在应用复型技术研究材料表面形貌和显微组织时，为了得到好的复制效果，首先要注意制备好金相试样。金相试样表面必须仔细抛光，避免引起表层组织的变化。其次，要注意各种复型方法对样品表面浮雕的复制能力，碳一级复型分辨率最高，可达2nm；塑料分子尺寸比碳粒子大得多，约10nm，所以只能复制大于这一尺寸的显微组织细节。塑料-碳二级复型的分辨率主要取决于第一级塑料复型，它的分辨率与塑料一级复型相当。另外，也应了解在透射电子显微镜下观察，对复型材料的要求。2.1.1一级复型一级复型方法有三种：塑料，碳和氧化物复型。氧化物复型主要用于铝和铝合金，在电解减薄金属方法成熟之后已很少应用。•一、塑料一级复型塑料一级复型是最简单的一种表面复型，是用预先配制好的塑料溶液在已浸蚀好的金相试样上直接浇铸而成的。表2.1常用的塑料一级复型材料及其浓度商品名称化学名称溶剂浓度/％Collodion低氮硝酸纤维素（火棉胶）醋酸戊酯0.5～4Formvar聚醋酸甲基乙烯酯二氧陆圜（二恶烷）或氯仿1～2Farlodion低氮硝酸纤维素醋酸戊酯0.5～42.1.1一级复型塑料一级复型的具体制备方法如下：•用液滴管在金相试样表面放一滴塑料溶液，用清洁玻璃棒轻轻地将其刮平，静置干燥后形成厚度约100nm的塑料薄膜。其浮凸与金相试样表面正好相反，故这种复型又称负复型；•在透明胶纸上放几块略小于样品铜网（φ＝3mm）的纸片，再在其上放置样品铜网，这样仅使其边缘粘贴在胶纸上。•把贴有样品铜网的胶纸平整地压贴在已干燥的塑料表面，利用胶纸的粘性把塑料一级复型从金相试样表面干剥下来，如图2.3所示；•用针尖或小刀在铜网边缘划一圈，将塑料薄膜划开，再用镊子把样品铜网连同贴附在它上面的塑料一级复型取下，即可放到透射电子显微镜中去观察。2.1.1一级复型图2.3塑料一级复型干剥方法1——纸片；2——样品铜网；3——透明胶纸；4——塑料一级复型；5——金相试样图2.4珠光体组织的塑料一级复型电子像2.1.1一级复型塑料一级复型制备成败的关键在于能否顺利地使复型从金相样品表面上剥离下来，为了防止塑料膜的破裂，必要时采用背膜增强。例如在Formvar复型膜干燥后，再在其上浇铸一层较厚的Collodion膜。当复合膜从金相试样表面剥离下来后，剪成略小于样品铜网的小方块，放在醋酸戊酯中把Collodion背膜溶解掉，最后用样品铜网把Formvar一级复型捞起后把它放在滤纸上，把水吸干即成。图2.4显示了用Formvar一级复型获得的珠光体组织的形貌。2.1.1一级复型•二、碳一级复型碳一级复型是对已制备好的金相试样表面直接蒸发沉积碳膜制成的，蒸发碳膜的物质是光谱纯碳。具体制备方法如下：•在真空镀膜装置中，如图2.5(a)所示，以垂直的方向在已浸蚀好的金相试样表面上直接蒸发沉积一层厚度数十纳米的碳膜（简称喷碳）。•用针尖或小刀把喷过碳的金相试样表面划成略小于样品铜网的小方格，然后浸入适当的化学试剂中作第二次浸蚀或电解抛光，使碳膜与金相试样表面分离。•用样品铜网将碳复型捞起烘干即可放到透射电子显微镜中观察。2.1.1一级复型图2.5碳一级复型制备及其图像衬度2.1.1一级复型图2.6K-3镍基高温合金中σ相的碳一级复型图像2.1.2塑料-碳二级复型塑料-碳二级复型是目前最常用的复型方法之一，它兼有塑料一级复型和碳一级复型的某些优点。在材料研究领域内，它主要应用于金相组织和断口形貌的观察，尤其对断口样品，它比一级复型有更多的应用。图2.7塑料-碳二级复型的制备步骤2.1.2塑料-碳二级复型塑料-碳二级复型制备方法如下：•在经过浸蚀的金相试样（或不需浸蚀的断口试样）表面上放一两滴丙酮（或醋酸甲酯），然后贴上一小块醋酸纤维薄膜（简称A·C纸，厚度约30～80μm），如图2.7(a)所示。•揭下已经干燥的塑料复型（即第一级复型），剪去周围多余的部分，然后将复制面朝上平整地贴在衬有纸片的胶纸上，如图2.7(b)所示。•将固定好的塑料复型放在真空镀膜装置中，先以倾斜方向“投影”重金属，再以垂直方向喷碳（即第二级复型），如图2.7(c)所示。2.1.2塑料-碳二级复型•把复合复型剪成略小于样品铜网的小方块，将生物切片石蜡（注意石蜡熔点42℃左右为宜）溶化后滴在小玻璃片上，然后将小方块喷碳一面贴在烘热的小玻璃片上的石蜡上。待玻璃片冷却和石蜡凝固后，放到盛有丙酮或醋酸甲酯的有盖容器中，如图2.7(d)所示，将第一级复型慢慢溶解。•用铜网布制成的小勺把第二级复型转移到清洁的丙酮中洗涤（也可适当加热，保温15min）；最后转移到蒸馏水中，依靠水的表面张力使第二级复型平展并漂浮在水面上，再用摄子夹住样品铜网把第二级复型捞起来[如图2.7(e)]，放到滤纸上，干燥后即可供观察。2.1.2塑料-碳二级复型塑料-碳二级复型的最大优点在于制备过程中不破坏金相试样原始表面，必要时可重复制备；由于第一级复型用较厚的塑料膜来制备，即使对粗糙的断口样品，剥离也比较容易，膜也不易损坏；供观察的第二级复型是碳膜，故导热导电性好，在电子束照射下较为稳定。图2.8中的σ相在样品上是凸的；而在图2.6中σ相的碳一级复型像则不能鉴别之。图2.8K-3镍基合金中σ相的二级复型电子像2.1.3抽取复型抽取复型是对一级复型步骤稍加改进的方法，它就不仅能用复型显示样品表面浮凸而且可用膜抽取出某些细小的组成相，例如第二相粒子，并能保持它们在样品中原有的分布。它的最大优点是这些小粒子除了能在透射电子显微镜下被观察其大小、形态分布之外，还能通过电子衍射的方法确定其物相。抽取复型可以用碳蒸膜也可以用塑料膜，目前常用碳蒸发膜，其具体制备方法如下:2.1.3抽取复型•选择合适的浸蚀剂，使其溶解样品的基体材料（如钢中的铁素体基体）比第二相粒子要快，以致这些粒子突出于样品表面；•在深浸蚀过的金相试样表面上；蒸发沉积一层较厚的碳膜（20μm以上），然后用针尖或小刀把碳膜划成小于样品铜网的小方块。•将喷碳、划过格的试样放到盛有浸蚀剂的器皿中进行第二次浸蚀（或进行电解抛光），使基体材料进一步溶解，这样使碳膜连同凸出试样表面的第二相粒子与基体分离。•将分离后的碳膜转移到某种化学试剂中洗涤，溶去残留的基体，最后移到酒精中去洗涤，用样品铜网捞起，干燥后即可供观察。2.1.3抽取复型图2.9是奥氏体钢塑性断裂断口的碳抽取复型，断口上的微坑特征依稀可见。经电子衍射鉴定，被抽取的粒子是(Cr,Fe)7C3型碳化物。图2.9奥氏体钢（0.3％C，36％Ni，1.0％Cr）1473K，1h＋水淬＋1173K，30h＋水淬，在-77K拉伸断裂，碳抽取复型，10000×2.2粉末样品和薄膜制备•2.2.1粉末样品粉末样品的制备包括支持膜的制备和粉末均匀分布于支持膜上的方法。对于细小的粉末或颗粒，因不能直接用电子显微镜样品铜网来承载，需在铜网上预先粘附一层连续而且很薄（约20~30nm）的支持膜，细小的粉末样品放置于支持膜上而不致从铜网孔漏掉，才可放到电子显微镜中观察。较多使用的是火棉胶-碳复合支持膜。2.2.1粉末样品制备方法如下：•配制质量分数约为3%火棉胶的醋酸戊酯溶液。•将一个直径大于100nm的玻璃培养皿底部放一张滤纸，然后注入蒸馏水，再将铜网适距放在培养皿底部的滤纸上，铜网的粗糙面朝上。•用滴管将火棉胶溶液滴一滴溶液进入蒸馏水中，火棉胶溶液瞬时在水面上展开，将浮在水面上的第一次膜除去，再制备第二次干净的膜，用吸管沿培养皿边缘伸入水中，将蒸馏水慢慢吸干，火棉胶薄膜随之下沉，最终吸附在含有铜网的滤纸上。•将附着铜网和火棉胶的滤纸放在真空镀膜台中，喷一层很薄的碳。用针尖划开铜网周围的膜和滤纸，即制成火棉胶-碳复合支持膜。2.2.2薄膜样品的制备•一、薄膜平面样品的制备直接制成可用于透射电子显微镜观察的薄膜样品有多种方法，如真空蒸发、磁控溅射、溶液凝固等方法。图2.10是Al-4%Cu(质量百分数)薄膜的TEM明场像。它是通过磁控溅射仪把Al-Cu靶上原子溅射到KCl基片上，然后将溅射后的KCl基片放入含有一点丙酮（减小表面张力，不致使Al-Cu膜破碎）的去离子水（或蒸馏水）中，待KCl溶解后，Al-Cu薄膜漂浮在水面上，然后用铜网捞起后待水分蒸发后，即可放入透射电子显微镜中观察。2.2.2薄膜样品的制备图2.10Al-4%Cu多晶薄膜的TEM明场像2.2.2薄膜样品的制备•二、薄膜截面样品的制备用于TEM观察的截面样品（cross-sectionalspecimen）制备是个难点，薄膜的截面样品制备更困难。下面将介绍薄膜截面样品的制备方法，以此可推广到块体截面样品的制备。制样过程具体描述如下：•采用电火花线切割技术从沉积有薄膜的不锈钢基片上切割两个φ2mm，长约10mm的半圆柱，半圆柱的侧平面为膜面[图2.11(a)]。2.2.2薄膜样品的制备•将外径φ3mm，内径φ2mm的不锈钢管（或纯铜管）截成10mm长的小段，同一侧带有薄膜的半圆柱试样一起依次用丙酮和无水乙醇超声波清洗，以除去表面玷污。干燥后将半圆柱试样的全部外表面和不锈钢管内表面涂上环氧树脂粘结胶，然后将两个半圆柱粘合成一个整圆柱插入不锈钢管中，并保证所有的粘合面都有粘结胶[图2.11(b)]。镶嵌好的试样按照所用环氧树脂的固化要求进行室温固化或加热固化。•采用薄片砂轮切割机将固化后的试样切割成厚度约为0.3mm的圆片[图2.11(c)]。2.2.2薄膜样品的制备•用粒度为10~30μm的金相砂纸将试样从两面研磨至约0.1mm