作者：孙千 本文转载自公众号：老千和他的朋友们。原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/aFmR0x_X5WcqM2w66ZBuDg
透射电子显微镜（TEM）样品制备是一项兼具科学性与技艺性的关键工作，其质量直接决定了后续观察与测量结果的可靠性。
样品制备方法的选择需综合考量研究目标、时间限制、设备条件、操作技能及材料特性，核心原则是确保样品具备电子透明性且不引入干扰观察的伪像。从待研究的 “试样（sample）” 到可用于 TEM 观察的 “样品（specimen）”，制备过程可短至 5 分钟，也可长达 1-2 天——例如研究高温超导体钇钡铜氧（YBa₂Cu₃O₆₊ₓ）时，用非水溶剂研磨后收集到碳膜上仅需 10 分钟；而通过金刚石锯切片、凹坑处理及液氮温度离子减薄的复杂方法，则需1-2天才能完成。
理想的 TEM 样品通常需满足厚度均匀、在电子束及实验室环境中稳定、导电无磁性等条件（部分场景除外），整体可分为自支撑样品和载网/薄垫片支撑样品两大类，后者的支撑材质以铜（Cu）为主，也可选用金（Au）、镍（Ni）等材料。
在深入探讨制备方法前，安全问题必须置于首位——样品制备阶段的操作不当，可能对实验人员造成比损坏仪器更严重的伤害。
（1）安全操作准则：高危化学品的规范使用
TEM 样品制备中常用的四种抛光液（氢氰酸、氢氟酸、硝酸、高氯酸）效果极佳，但具有极高危险性：氢氰酸含剧毒，氢氟酸会迅速渗入人体溶解骨骼且初期无痛感，硝酸与部分有机溶剂混合可能爆炸，高氯酸结晶后易引发爆炸。
因此，实验前必须咨询实验室管理员、查阅材料安全数据表（MSDS），并严格遵守以下规范：操作前明确废弃物处理方案、备好解毒剂；严禁单独实验，需佩戴安全眼镜及全套防护装备；所有化学品操作需在通风橱内进行，且需核查抽气速率；禁止用嘴吸移液管，仅制备单次所需溶液量。
使用高氯酸的乙醇或甲醇溶液时，需控制混合液密度在 1.48 以下，且许多实验室要求使用专用可彻底冲洗的通风橱；硝酸应避免与乙醇长期混合并暴露在阳光下，建议用甲醇替代；氢氟酸操作时需完全覆盖暴露皮肤，防止渗透损伤；氰化物溶液应优先避免使用，金的减薄可通过精细离子减薄实现。
（2）样品类型选择：自支撑圆片与载网支撑的权衡
样品类型的选择取决于研究目的：若需避免 X 射线分析时的干扰信号，自支撑样品（由单一材料或复合材料构成）更为合适；若处理砷化镓（GaAs）、氧化镍（NiO）等易碎单晶，载网支撑样品可通过减少直接接触样品薄区降低破损风险。见图1多种不同目数和形状的样品支撑载网，右上角载网适用于夹持细小薄材料条。
图1 多种样品支撑网格：包含不同目数和形状的样品支撑载网。
TEM 样品的标称直径通常为 3.05 毫米（俗称 3 毫米圆片），仅在需要双倾或倾转旋转时需严格遵守该尺寸；2.3 毫米圆片虽适用于早期电镜，但能从相同体积材料中制备更多样品，且支持更大倾斜角度，对昂贵、稀有或易碎样品尤为有利。单轴倾斜场景下，可使用块状样品台，样品尺寸可达 10 毫米长、3 毫米宽。不同制备思路的选择可参考图2 所示流程图，纳米材料则需特别谨慎选择支撑载网的材质。
图2 样品几何形状总结流程图：汇总了制备过程中可能遇到的不同样品几何形态。
（3）核心制备方法：从预处理到最终减薄
自支撑圆片的制备流程
自支撑圆片的制备需经过初步减薄、切割圆片、预减薄三个关键步骤，具体方法需根据材料特性调整：
初步减薄：将块状材料切成 100-200 微米厚的薄片。延展性材料（如金属）可通过化学线锯、电火花加工等避免机械损伤，也可轧制后退火消除缺陷；脆性材料（如陶瓷）中，硅（Si）、砷化镓（GaAs）等具有明确解理面的可通过解理制备，其他材料可使用超薄切片机或金刚石切片锯。
切割圆片：延展性材料可采用机械冲床，边缘损伤小；脆性材料则需通过电火花加工（导电样品，机械损伤最少）、超声钻孔或研磨钻孔（见图4的四种取片工具），切割工具均为内径 3 毫米的空心管，需尽量减少材料浪费。
图4 四种制样工具：(A) 机械冲床，用于从延展性材料薄片上冲压圆片 —— 将薄片样品放入冲床，按下右侧手柄，即可弹出适用于减薄的 3 毫米直径圆片；(B) 研磨浆料圆片切割机，通过取芯管的旋转运动钻出圆片；(C) 超声切割机；(D) 电火花切割机 —— 放电过程在溶剂中进行，且配备安全防护罩。
预减薄（凹坑处理）：目的是减薄圆片中心区域至数微米，同时减少表面损伤。机械凹坑仪可精确控制负载和凹坑深度（见图5 凹坑设备），化学凹坑法则通过氢氟酸（HF）与硝酸（HNO₃）混合液等高危化学品实现，效率极高。三脚架抛光机可将样品机械减薄至小于 1 微米，尤其适用于硅等材料，使用时需搭配平整玻璃平台和优质金刚石研磨膜。
图5 凹坑设备：(A) 凹坑仪；(B) 研磨工具与样品支撑块。
最终减薄：电解抛光与离子减薄
电解抛光：仅适用于金属、合金等导电样品，耗时数分钟至 1 小时，能制备无机械损伤的薄片，但可能改变表面化学性质。其原理是施加特定电压后，样品阳极溶解形成抛光表面（见图6电解抛光原理，平台区域为理想抛光区），常用喷射抛光或双喷射抛光装置（见图7电解抛光装置），通过激光或光传感器检测样品透明性并终止抛光。
图6 电解抛光原理示意图：(A) 电解抛光曲线，显示随施加电压升高，阳极与阴极间电流的变化趋势 —— 平台区域为抛光区，低电压区域为蚀刻区，高电压区域为点蚀区；(B) 获得抛光表面的理想条件：电解液与样品表面间需形成粘性液膜。
图8 电解抛光装置示意图：(A) 喷射电解抛光 —— 重力供料的单一电解液喷射流减薄支撑在带正电金属网上的圆片，圆片需定期旋转；(B) 双喷射电解抛光装置示意图 —— 带正电的样品固定在聚四氟乙烯（Teflon）支架中，位于两个喷射流之间，光导管（未显示）检测到穿孔后终止抛光。
离子减薄：适用范围最广，可处理陶瓷、复合材料、半导体、纤维、粉末等多种材料。利用 4-6 千电子伏特（keV）的高能离子（常用氩气 Ar）轰击样品，通过溅射去除材料（见图9 离子束减薄装置）。为避免成分选择性减薄和离子注入，入射角应控制在≤5°，且需冷却样品防止温度超过 200℃（见图10 穿透深度和减薄速率随入射角的变化，20° 时减薄速率最大）。
图 9 离子束减薄装置：(A) 离子束减薄示意图 —— 整套装置处于真空环境（未显示），氩气通入电离室，施加最高 6 千电子伏特（keV）电势产生氩离子束，轰击旋转的样品；样品可冷却至液氮温度，穿孔通过离子穿透真空实现检测；(B) 典型的离子减薄仪。
图10 穿透深度与减薄速率随入射角的变化曲线：大入射角会促进离子注入（此为不利情况）；减薄速率在 20° 入射角时达到最大值，超过该角度后，离子束主要穿透样品表面而非溅射去除材料；初始减薄应从 20–30° 开始，接近穿孔时降至 < 10°。
反应离子减薄（如碘离子）可减少缺陷，小角度、低能量离子减薄仪（如 Gatan PIPS）能最小化表面损伤。需警惕伪像产生，如硅样品减薄时可能形成氩气泡，β- 氧化铝中的钾（K）可能被氩（Ar）取代（见图12 碲化镉的明场图像，对比氩离子与碘离子减薄的缺陷差异）。
图 12 碲化镉（CdTe）的明场（BF）图像：(A) 氩离子减薄样品中的缺陷（暗点）；(B) 反应性碘离子减薄后的无损伤晶体 ——(B) 中的残留缺陷为碲化镉晶体生长过程中形成。
（三）横截面样品制备
横截面样品用于研究界面特性（如半导体器件、氧化物–金属界面），本质是特殊的自支撑圆片。制备时先将样品切割后用低温固化环氧树脂粘合，形成 “三明治” 结构（见图13 横截面样品制备流程示意图），再切割成 3 毫米圆片并进行离子减薄，最终获得电子透明的界面区域。
图 13 横截面样品制备流程示意图：将样品切成垂直于界面的薄片，薄片间夹入垫片（可为硅、玻璃或其他廉价材料，宽度大于载网的槽）并粘合；将 “三明治” 状结构粘合到载网的槽上方，再经离子减薄至穿孔。
（4）载网/垫片支撑样品的多元制备方法
载网/垫片支撑样品通过将电子透明的细小颗粒或薄片沉积在无定形碳膜等支撑膜上实现，支撑膜需厚度均匀以减少成像干扰，主要制备方法包括：
电解抛光窗口法：金属薄片边缘封清漆后电解抛光，切割穿孔周围细条收集到牡蛎载网（见图14 窗口抛光流程）。
图14 窗口抛光示意图：(A) 边长约 100 平方毫米的金属薄片边缘涂漆，作为电解池的阳极；(B) 减薄过程 —— 初始穿孔通常发生在薄片顶部，用清漆覆盖初始穿孔后，将薄片旋转 180° 继续减薄，确保最终减薄区域靠近薄片中心；若最终穿孔边缘光滑而非锯齿状，则样品可能过厚。
超薄切片法：适用于生物材料、软聚合物等，样品嵌入环氧树脂后用玻璃或金刚石刀片切割，薄片漂浮收集到载网（见图15 超薄切片法原理）。
图15 超薄切片法示意图：(A) 先将样品嵌入环氧树脂或其他介质，或将整个样品夹紧后移动穿过刀片边缘；(B) 切割产生的薄片漂浮在水或合适的惰性介质上，再从介质中收集到网格上。
研磨和粉碎法：脆性材料在研钵中粉碎后，将悬浮液滴在碳膜载网上干燥。
复型和萃取法：直接复型或两步复型用于研究表面形貌（见图 10.16 复型制备流程），萃取复型可从基体中提取颗粒单独分析（见图 10.17 萃取复型制备及 γ/γ’ 合金示例）。
图 16 表面复型制备方法：(A) 两步复型法 —— 向待复型表面喷洒丙酮，将塑料（通常为醋酸纤维素）压在表面（塑料遇丙酮软化）；塑料硬化后剥离，在其表面蒸发沉积碳（C）、铬（Cr）或铂（Pt）膜；用丙酮溶解塑料，蒸发膜保留原始表面形貌，形成自支撑复型；(B) 直接碳复型法 —— 在金属表面划痕后蚀刻，使碳膜脱离基体，将碳膜漂浮到蒸馏水中，随后可进行倾斜镀膜以增强形貌衬度。
图17 萃取复型制备流程与示例：(A) 萃取复型制备步骤 —— 通过蚀刻基体暴露嵌入其中的颗粒，使颗粒突出于表面；在颗粒上方蒸发沉积一层薄无定形碳膜，继续蚀刻去除剩余基体，颗粒留存并附着在碳膜上；(B) γ/γ’ 合金的萃取复型示例——不仅显示颗粒主要分布在晶界，还呈现了 γ’ 晶粒与 γ/γ’ 双相晶粒的不同衬度。
解理法与小角度解理技术（SACT）：解理法适用于石墨、二硫化钼（MoS₂）等层状材料，SACT 通过浅倾斜裂纹制备硅或玻璃基薄膜样品（见图19 玻璃镀膜样品的 SACT 流程及 TEM 图像）。
图19 玻璃镀膜样品的小角度解理技术（SACT）示意图：(A) 在样品上划痕；(B) 沿划痕解理；(C)、(D) 对应的透射电子显微镜（TEM）图像。
90° 楔形样品：适用于砷化镓等化合物半导体，解理后安装在铜载网孔洞边缘（见图 20 90° 楔形样品制备流程），30 分钟内即可完成制备。
图20 90° 楔形样品制备示意图：(A) 预减薄硅基体上的多层结构，形成 2 毫米见方的区域；(B) 透过表面层在硅上划痕，翻转样品后解理，检查解理面是否平整（需形成尖锐的 90° 边缘，否则需丢弃）；(C)、(E) 将 90° 角安装在铜网格的孔洞边缘；(D)、(F) 放入透射电子显微镜（TEM）观察 —— 单次解理可获得两种不同的样品取向。
光刻法：通过光刻和蚀刻形成精细薄平台（见图21 层状样品的光刻蚀刻流程），电子束方向尺寸受光刻能力限制。
图 21 层状样品的光刻蚀刻流程：(A) 原始层状样品；(B) 蚀刻去除大部分样品，留下小型蚀刻平台；在平台上掩膜宽度 < 50 纳米的区域，蚀刻去除周围大部分平台；(C) 将该薄区域旋转 90° 安装在样品台，此时界面平行于电子束。
择优化学蚀刻法：利用蚀刻停止层（如铝镓砷、硼注入层）保留电子透明区域（见图 22 多层样品减薄的光刻技术及商用氮化硅薄膜支撑圆片），适用于特定 Ⅲ-Ⅴ 族化合物和硅。
图 22 多层样品减薄的光刻技术应用：(A) 未减薄样品，可见氮化硅（Si₃N₄）阻挡层网格；(B) 在阻挡层之间蚀刻，向下蚀刻至注入层（作为蚀刻停止层），形成厚度 10 微米的均匀层；使用不同溶液进一步减薄，可获得大面积均匀薄材料（未显示），由氮化硅网格和剩余未减薄区域支撑；(C)、(D) 商用氮化硅薄膜支撑圆片，(D) 为放大视图。
（5）聚焦离子束（FIB）技术
FIB 仪器兼具SEM 成像与离子减薄功能，通过镓（Ga）离子束制备高精度 TEM 样品（见图23双束FIB仪器示意图）。制备步骤包括标记感兴趣区域、沉积铂带保护、切割沟槽、修剪薄 “壁” 并抛光（见图24 FIB 制备 TEM 样品的步骤），最终通过探针拾取转移至碳膜支撑。该技术精准度高，但设备价格较高，部分实验室难以配备。
图23 双束（电子和离子）聚焦离子束（FIB）仪器示意图
图 24 聚焦离子束（FIB）制备透射电子显微镜（TEM）样品的步骤：(A) 标记感兴趣区域；(B) 沉积铂（Pt）条，保护该区域免受镓（Ga）离子束损伤；(C)、(D) 切割两个沟槽；(E) 切割薄片的底部和两侧（最终切割）；(F) 对薄区域进行原位离子抛光，制备成透射电子显微镜（TEM）样品后取出。
（6）样品储存与关键注意事项
样品制备完成后应尽快观察，短期储存（1 个月内）需保持干燥，置于惰性气氛（如干燥氮气）或无油真空干燥器中，使用铺有滤纸的玻璃培养皿等惰性容器。长期储存需避免明胶胶囊和槽式载网架，易碎样品需用真空镊子操作。旧样品可通过离子抛光、化学清洗或等离子体清洗翻新，但需注意避免原始研究区域丢失或样品性质改变。纳米颗粒集合体等反应活性高的样品，可能需要受控环境转移技术。
制备前必须明确研究目标，选择最适合材料的方法（见图26 样品制备总结流程图）。样品越薄通常越有利于观察，但也更容易产生伪像：厚度不均匀可能导致 EELS、XEDS 可用区域受限，表面膜可能引发电解液残留或离子非晶化，不同相或取向的减薄速率差异可能造成晶界沟槽化等。
图 26 样品制备总结流程图：汇总了透射电子显微镜（TEM）样品制备的各类可选流程。
TEM 样品制备无固定规则，核心是权衡样品厚度与伪像风险，每一步操作都需考虑对材料微观结构和化学成分的影响。保持实验环境清洁、使用新鲜材料、遵守安全规范，是获得优质样品的基础。尽管商用设备齐全，但许多仪器可自行制作（如电解抛光仪、离子减薄仪），熟练掌握三脚架抛光机等工具对脆性材料研究尤为重要。
样品制备是 TEM 研究的基础，如同烹饪技艺需通过大量实践打磨 —— 见过优质样品的标准，才能精准优化制备方案。参考专业手册并持续关注新方法，才能在这一繁琐却关键的环节中收获理想结果，为后续 TEM 观察提供可靠保障。
参考资料Specimen Preparation
