TEM样品制备技术2004.9.20 2004.9.20 1 1TEM样品制备技术 TEMTEM样品制备在电子显微学研究工作中，样品制备在电子显微学研究工作中，起着至关重要的作用，是非常精细的技术工起着至关重要的作用，是非常精细的技术工作。作。2 2 透射电子显微镜样品制备透射电子显微镜样品制备 前言前言一一 平面样品制备平面样品制备1.1.切割切割2.2.平面磨平面磨 3.3.钉薄钉薄 二二 截面样品制备截面样品制备三三 粉末样品制备粉末样品制备四四 离子减薄样品离子减薄样品3 3前言 要想得到好的要想得到好的TEMTEM结果，首先要制备出好的薄膜样品，结果，首先要制备出好的薄膜样品，TEMTEM样品制备在电子显微学研究中起着非常重要的作用。样品制备在电子显微学研究中起着非常重要的作用。 传统的常规制备方法很多，例如：化学减薄、电解双喷、传统的常规制备方法很多，例如：化学减薄、电解双喷、 解理、超薄切片、粉碎研磨、聚焦离子束、机械减薄、离子减解理、超薄切片、粉碎研磨、聚焦离子束、机械减薄、离子减薄，这些方法都能制备出较好的薄膜样品。薄，这些方法都能制备出较好的薄膜样品。 目前新材料的发展日新月异，给样品制备提出了更高的要目前新材料的发展日新月异，给样品制备提出了更高的要求。样品制备的发展方向应该是制备时间更短，电子穿透面积求。样品制备的发展方向应该是制备时间更短，电子穿透面积更大，薄区的厚度更薄，高度局域减薄。更大，薄区的厚度更薄，高度局域减薄。TEMTEMTEMTEM样品类型样品类型样品类型样品类型 块状：用于普通微结构研究块状：用于普通微结构研究 平面：用于薄膜和表面附近微结构研究平面：用于薄膜和表面附近微结构研究 横截面样品：均匀薄膜和界面的微结构研究横截面样品：均匀薄膜和界面的微结构研究 小块物体：粉末，纤维，纳米量级的材料小块物体：粉末，纤维，纳米量级的材料4 4透射样品制备工艺图透射样品制备工艺图500m80m3mm5m2.5mm1. 1. 切割切割2. 2. 平面磨平面磨3. 3. 钉薄钉薄4. 4. 离子减薄离子减薄5 5生长面生长面生长面生长面衬底衬底衬底衬底平面：表面观察，表面的均匀度，缺陷，平面：表面观察，表面的均匀度，缺陷，平面：表面观察，表面的均匀度，缺陷，平面：表面观察，表面的均匀度，缺陷，相分凝等。相分凝等。相分凝等。相分凝等。截面：生长形态信截面：生长形态信截面：生长形态信截面：生长形态信息，各层的原子结息，各层的原子结息，各层的原子结息，各层的原子结构，界面结构，缺构，界面结构，缺构，界面结构，缺构，界面结构，缺陷等。陷等。陷等。陷等。一一 平面样品制备平面样品制备6 61.1.切割样品切割样品 方法很多，可以用超声切割，冲压器冲方法很多，可以用超声切割，冲压器冲获得获得3mm3mm圆片，如果你没有上面这两种工圆片，如果你没有上面这两种工具，可以用其他任何方法，把样品切成小块，具，可以用其他任何方法，把样品切成小块，无论是长方形还是方形，只要对角线不超过无论是长方形还是方形，只要对角线不超过3mm3mm，长边，长边2.5mm2.5mm即可。把切好的样品在加即可。把切好的样品在加热炉上粘到磨具上，自然冷却后就可以平磨了。热炉上粘到磨具上，自然冷却后就可以平磨了。 7 7 . 平面磨平面磨 简单的平面磨可以产生大面积的薄区，但却使样品过于脆弱，很简单的平面磨可以产生大面积的薄区，但却使样品过于脆弱，很容易损坏，以我们的经验，一般容易损坏，以我们的经验，一般SiSi材料可以平磨到材料可以平磨到50m50m左右，对于左右，对于脆性材料可适当增加厚度。脆性材料可适当增加厚度。 手工平磨时，应采用不断变换样品角度，或者沿手工平磨时，应采用不断变换样品角度，或者沿“ “8 8” ”字轨迹的手字轨迹的手法。如图示：法。如图示： 可以避免过早出现样品边缘倾角，用粒度可以避免过早出现样品边缘倾角，用粒度p1500P20001p1500P20001mm金刚石抛光膏抛光，每更换一次砂纸用水彻底清洗样品。金刚石抛光膏抛光，每更换一次砂纸用水彻底清洗样品。P1500P20001m金刚石膏金刚石膏8 8 磨下去原始厚度的一半时抛光，抛光磨下去原始厚度的一半时抛光，抛光后用水清洗干净，再用无水乙醇棉球擦干，后用水清洗干净，再用无水乙醇棉球擦干，就可以翻面磨另一面。就可以翻面磨另一面。9 9 在加热炉上把样品翻面粘在磨具上，重复同样的工艺。在加热炉上把样品翻面粘在磨具上，重复同样的工艺。加热炉1010 最终厚度控制在80m以内70-80m11113. 钉薄 钉薄轮的选择钉薄轮的选择钉薄轮的选择钉薄轮的选择 磨料的选择磨料的选择磨料的选择磨料的选择 磨轮的载荷磨轮的载荷磨轮的载荷磨轮的载荷 磨轮直径和钉薄深度的关系磨轮直径和钉薄深度的关系磨轮直径和钉薄深度的关系磨轮直径和钉薄深度的关系 不同的钉轮直径可获得的钉薄深度不同的钉轮直径可获得的钉薄深度不同的钉轮直径可获得的钉薄深度不同的钉轮直径可获得的钉薄深度 钉薄前样品的最佳厚度钉薄前样品的最佳厚度钉薄前样品的最佳厚度钉薄前样品的最佳厚度 1212 钉薄轮的选择钉薄轮的选择 钉薄仪所配的轮子有不锈钢论；磷铜轮；毛毡钉薄仪所配的轮子有不锈钢论；磷铜轮；毛毡轮等，根据材料的不同选择不同材质、不同直径的轮等，根据材料的不同选择不同材质、不同直径的钉薄轮。钉薄轮。 平轮平轮 ：用于大块减薄：用于大块减薄 钉薄轮钉薄轮 ：用于钉薄：用于钉薄 毛毡轮：用于抛光毛毡轮：用于抛光平轮平轮钉薄轮钉薄轮抛光轮不锈钢轮1313 磨料的选择磨料的选择 应用较广泛的是金刚石膏，但对于金属材料不应用较广泛的是金刚石膏，但对于金属材料不适用，金属材料用立方氮化硼（适用，金属材料用立方氮化硼（CBNCBN），两者混合），两者混合起来用于复合材料，较软的金属合金也适用。起来用于复合材料，较软的金属合金也适用。1414 磨轮的载荷磨轮的载荷 根据材料的性质、厚度、磨料的颗粒大小来选择根据材料的性质、厚度、磨料的颗粒大小来选择钉轮的载荷，一般在钉轮的载荷，一般在20g-40g20g-40g。1515 钉轮直径和钉薄深度的关系 在离子减薄中在离子减薄中, ,因为离子束的入射角都很小，因为离子束的入射角都很小，所以要注意钉薄后样品的边缘可能会挡住样品的所以要注意钉薄后样品的边缘可能会挡住样品的中心部分，钉轮直径（中心部分，钉轮直径（D D），钉薄区域（），钉薄区域（2r2r）和钉）和钉薄深度（薄深度（d d）的关系近似为：）的关系近似为：d=rd=r2 2/D/D 典型的一个典型的一个3mm3mm直径样品，抛光后的边缘保直径样品，抛光后的边缘保留宽留宽0.4mm0.4mm，这样保证样品有足够的机械强度。，这样保证样品有足够的机械强度。所以钉薄区域的直径限制在所以钉薄区域的直径限制在2.2mm2.2mm。 如用如用44离子入射角，在边缘不挡住中心部分离子入射角，在边缘不挡住中心部分的条件下，可得到的最大钉薄深度为：的条件下，可得到的最大钉薄深度为：1.1mmtan4=771.1mmtan4=77（mm）。）。 1616样品盘几何样品盘几何1717 不同的钉轮直径可获得的钉薄深度不同的钉轮直径可获得的钉薄深度 左表说明左表说明10mm10mm直径直径的钉轮不适合于样品的制的钉轮不适合于样品的制备，因为钉薄的深度备，因为钉薄的深度77m77m，边会挡住中心部分，边会挡住中心部分，15mm15mm的直径似呼超过了的直径似呼超过了极限，但在实践中的效果极限，但在实践中的效果还是很好的，因为边缘部还是很好的，因为边缘部分在开始的减薄很快地被分在开始的减薄很快地被打掉。打掉。钉轮直径（mm） 钉薄深度(m) 101211580206025481818 钉薄前样品的最佳厚度钉薄前样品的最佳厚度 用上面的数据估计单面钉薄样品的最佳起始用上面的数据估计单面钉薄样品的最佳起始厚度，钉薄区域的直径为厚度，钉薄区域的直径为2.2mm2.2mm，起始样品厚度应，起始样品厚度应是钉薄深度加上是钉薄深度加上4 4倍的损伤层厚度。倍的损伤层厚度。1919最佳起始样品盘厚度最佳起始样品盘厚度最佳起始样品盘厚度最佳起始样品盘厚度 钉轮直径（钉轮直径（mmmm）损伤层厚度损伤层厚度（mm）凹坑底部厚度凹坑底部厚度（mm）最佳起始盘厚度最佳起始盘厚度（mm）15151 14 4848415152 28 8888815153 31212929220201 14 4646420202 28 8686820203 31212727225251 14 4525225252 28 8565625253 312126060 很明显，随着钉轮直径的增加，起始样品的厚度应逐渐减小，钉薄深很明显，随着钉轮直径的增加，起始样品的厚度应逐渐减小，钉薄深度不能大于度不能大于77m77m，否则会在以后的离子减薄中发生阻挡效应。这是初学，否则会在以后的离子减薄中发生阻挡效应。这是初学者必须知道的。者必须知道的。2020二截面样品制备二截面样品制备 1.1.选样品选样品 2.2.样品的清洗处理样品的清洗处理 3.3.对粘样品对粘样品2121.选样品选样品 低倍立体显微镜下选样品，表面平坦，没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样品切成小块，样品的对角线不超过3mm3mm即可。即可。2222.清洁处理清洁处理 无水乙醇无水乙醇-丙酮丙酮-两次超声清洗，每次两次超声清洗，每次2 2至至3 3分钟。分钟。2323.对粘样品对粘样品 清洗后的样品从丙酮里捞出来，自然干燥后，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（在样品的生长表面里涂上少量胶（M-Bond610M-Bond610），），将两块样品的生长面，面对面粘在一起，快速放入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，在夹具中加压，固定，在130130 左右的加热炉上固化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，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。（按平面样品制备方法）进一步机械减薄。（按平面样品制备方法）2424截面样品制备工艺图线锯、片锯线锯、片锯 切切 切切线锯、片锯线锯、片锯 2.5mm2mm0.5mm生长面生长面衬底衬底2525三粉末样品制备三粉末样品制备1.1.粉碎研磨粉碎研磨 研磨后的粉末放在无水乙醇溶液里，用超声波震研磨后的粉末放在无水乙醇溶液里，用超声波震荡均匀后滴在微栅上，干燥后进行透射电镜观察。荡均匀后滴在微栅上，干燥后进行透射电镜观察。2.2.树脂包埋树脂包埋 理想的包埋剂应具有：高强度，高温稳定性，与理想的包埋剂应具有：高强度，高温稳定性，与多种溶剂和化学药品不起反应，如丙酮等，常用的多种溶剂和化学药品不起反应，如丙酮等，常用的几种包埋剂：几种包埋剂：G-1G-1，G-2G-2，610610，812E812E2626粉末样品制备工艺图粉末样品制备工艺图聚四氟乙烯包埋槽聚四氟乙烯包埋槽从包埋槽中取出的粉末样品从包埋槽中取出的粉末样品包埋后切成条包埋后切成条样品用样品用SiSi片夹紧片夹紧SiSi片片粉末样品粉末样品2727四氩离子减薄四氩离子减薄 1. 离子减薄原理离子减薄原理2. 影响样品制备的几个因素影响样品制备的几个因素3. 离子减薄仪器离子减薄仪器28281. 1. 离子减薄原理离子减薄原理 在电场作用下氩气被电离成带在电场作用下氩气被电离成带Ar+Ar+的氩离子，的氩离子，带着一定能量的氩离子从阳极飞向阴极，通过阴极带着一定能量的氩离子从阳极飞向阴极，通过阴极孔，打在接地的样品表面，使样品表面溅射，这就孔，打在接地的样品表面，使样品表面溅射，这就是氩离子轰击的基本原理。是氩离子轰击的基本原理。29292.影响样品制备的几个因素影响样品制备的几个因素 与仪器有关的 A、离子束电压 B、离子束电流（氩气的流量） C、离子束的入射角 D、真空度 与样品有关的 A、样品的种类（性质） B、样品的微结构特点 C、样品的初始表面条件 D、样品的初始厚度 E、样品的安装30303 3.离子减薄仪器离子减薄仪器 宽束离子减薄仪 低角度离子减薄仪 聚焦离子束减薄仪 低能离子减薄仪500V一2.5kV3131氩离子减薄后的氩离子减薄后的SiSi材材料薄膜样品料薄膜样品 对粘样品窄窄的缝对粘样品窄窄的缝宽度三十纳米宽度三十纳米 材料中心部分厚度材料中心部分厚度1 1微米左右微米左右 样品表面明显损伤样品表面明显损伤 加速电压过高造成加速电压过高造成的损伤的损伤 SiSi衬底上多层膜截面样衬底上多层膜截面样品的高分辨像品的高分辨像 减薄后样品逢裂开减薄后样品逢裂开减薄前表面状态不减薄前表面状态不好，造成的损伤好，造成的损伤加速电压过高造成加速电压过高造成的损伤的损伤GaAs/InGaAsGaAs/InGaAs量子点量子点GaAs/InGaAsGaAs/InGaAs量子量子点高分辨点高分辨GaAs/InGaAsGaAs/InGaAs量量子点形貌像子点形貌像323233