TEM透射电镜样品制备技术课件讲义 中科院.pdf

TEMTEM样品制备技术样品制备技术中国科学院物理研究所中国科学院物理研究所王凤莲王凤莲2004.9.20 2004.9.20 TEMTEM样品制备技术样品制备技术TEMTEM样品制备在电子显微学研究工作样品制备在电子显微学研究工作中，起着至关重要的作用，是非常精细的技中，起着至关重要的作用，是非常精细的技术工作。术工作。透射电子显微镜样品制备透射电子显微镜样品制备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前言前言一一一一 平面样品制备平面样品制备平面样品制备平面样品制备1.1.1.1.切割切割切割切割2.2.2.2.平面磨平面磨平面磨平面磨3.3.3.3.钉薄钉薄钉薄钉薄二二二二 截面样品制备截面样品制备截面样品制备截面样品制备三三三三 粉末样品制备粉末样品制备粉末样品制备粉末样品制备四四四四 离子减薄样品离子减薄样品离子减薄样品离子减薄样品前言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，纳米量级的材料透射样品制备工艺图透射样品制备工艺图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。一一一一 平面样品制备平面样品制备平面样品制备平面样品制备1.1.1.1.切割样品切割样品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热炉上粘到磨具上，自然冷却后就可以平磨了。了。.平面磨平面磨平面磨平面磨 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5050mm左右，对左右，对于脆性材料可适当增加厚度。于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可以避免过早出现样品边缘倾角，角，用粒度用粒度p1500p1500P2000P20001 1mm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。干，就可以翻面磨另一面。在加热炉上把样品翻面粘在磨具上，重复同样的工在加热炉上把样品翻面粘在磨具上，重复同样的工艺。艺。加热炉最终厚度控制在最终厚度控制在8080mm以内以内70-80m3.3.钉薄钉薄 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 钉薄轮的选择钉薄轮的选择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：用于抛光平轮钉薄轮平轮钉薄轮抛光轮不锈钢轮 磨料的选择磨料的选择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。磨轮的载荷磨轮的载荷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20g20g-40g40g。钉轮直径和钉轮直径和钉薄钉薄深度的关系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4 4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：1.1mm1.1mmtan4tan4=77=77（mm）。）。样品盘几何样品盘几何样品盘几何样品盘几何 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7777mm，边会挡住中心部，边会挡住中心部分，分，15mm15mm的直径似呼超的直径似呼超过了极限，但在实践中的过了极限，但在实践中的效果还是很好的，因为边效果还是很好的，因为边缘部分在开始的减薄很快缘部分在开始的减薄很快地被打掉。地被打掉。4848252560602020808015151211211010钉薄深度钉薄深度(mm)钉轮直径钉轮直径（mmmm）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。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606012123 3252556568 82 2252552524 41 12525727212123 3202068688 82 2202064644 41 12020929212123 3151588888 82 2151584844 41 11515最佳起始盘厚度最佳起始盘厚度（mm）凹坑底部厚度凹坑底部厚度（mm）损伤层厚度损伤层厚度（mm）钉轮直径（钉轮直径（mmmm）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7777mm，否则会在以后的离子减薄中发生阻挡效应。这是初，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。学者必须知道的。二二二二截面样品制备截面样品制备截面样品制备截面样品制备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.选样品选样品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即即可。可。.清洁处理清洁处理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。.对粘样品对粘样品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（后，在样品的生长表面里涂上少量胶（MM-Bond610Bond610），将两块样品的生长面，面对面粘在一），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，在起，快速放入夹具中加压，固定，在130130 左右的左右的加热炉上固化两小时以上，冷却后取出，用线切割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。（按平面样品制备机切成薄片，进一步机械减薄。（按平面样品制备方法）方法）截面样品制备工艺图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三三三三粉末样品制备粉末样品制备粉末样品制备粉末样品制备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 G-1 1，G G-2 2，610610，812E812E粉末样品制备工艺图粉末样品制备工艺图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四四四四氩离子减薄氩离子减薄氩离子减薄氩离子减薄1.1.离子减薄原理离子减薄原理离子减薄原理离子减薄原理2.2.影响样品制备的几个因素影响样品制备的几个因素影响样品制备的几个因素影响样品制备的几个因素3.3.离子减薄仪器离子减薄仪器离子减薄仪器离子减薄仪器1.1.1.1.离子减薄原理离子减薄原理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ArAr+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。2.2.影响样品制备的几个因素影响样品制备的几个因素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与仪器有关的A A、离子束电压、离子束电压B B、离子束电流（氩气的流量）、离子束电流（氩气的流量）C C、离子束的入射角、离子束的入射角D D、真空度、真空度与样品有关的与样品有关的A A、样品的种类（性质）、样品的种类（性质）B B、样品的微结构特点、样品的微结构特点C C、样品的初始表面条件、样品的初始表面条件D D、样品的初始厚度、样品的初始厚度E E、样品的安装、样品的安装3 3 3 3.离子减薄仪器离子减薄仪器离子减薄仪器离子减薄仪器宽束离子减薄仪宽束离子减薄仪低角度离子减薄仪低角度离子减薄仪聚焦离子束减薄仪聚焦离子束减薄仪低能离子减薄仪低能离子减薄仪500V500V一一2.5kV2.5kV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