分享：基于聚焦离子双束电镜的透射电镜微柱试样制备

为了更好地研究材料在微观尺寸下的变形机制,众多学者开始采用微柱压缩试验来研究材料的微观力学性能[1]。其中透射电子显微镜（TEM）是研究材料微观结构及其元素分布的重要设备,利用TEM可对微柱内部发生的变形进行观察,因此TEM微柱试样的制备质量对TEM表征有较大影响。 

聚焦离子双束电镜（FIB-SEM）具有制样精度高、检测速率快等优点,FIB-SEM可以在高分辨率扫描电子显微图像监控下进行聚焦离子束微纳米加工,充分利用了离子束和电子束的优点,并有效避免了两者的缺陷。利用FIB-SEM制备特定位置、特定取向、特殊形状的TEM试样已经成为其重要应用之一[2-3]。在制备常规TEM试样时,制样区域位于块体材料的表面,且提取出的薄片长度均大于8 μm,最终TEM试样薄区长度一般约为5 μm,但对于长度为1~8 μm的微尺度材料,由于其尺寸较小、形状各异,TEM试样的制备较困难。近年研究中,一些学者提出了利用FIB-SEM制备微米级粉末颗粒的TEM试样技术,其中KIM等[4]用焊料作为包埋剂,结合FIB制备了TEM试样。LIU等[5]利用纳米操控手的翻转,以及在颗粒下使用一小片钨针作为支撑,分析了颗粒整个横截面的元素分布情况。微柱变形试样作为微尺度材料的一种,位于块状材料的凹坑内,微柱尺寸较小且周围被挖空。要将其制备成保留微柱内部裂纹的高质量TEM试样,须保证压缩后微柱的完整性,且不能改变试样的内部组织结构。笔者对FIB-SEM制备TEM试样的常规方法进行了改进,成功制备出微柱变形试样的TEM试样,研究结果可为微柱及凹坑内试样的TEM试样制备提供技术参考。 

1.   试验方法及试样制备

1.1   试验方法

利用Thermo Helios G4 CX型FIB-SEM进行试验,该电镜中电子束和离子束以52°角相交于一个共心点,离子源采用液态金属镓离子源。该设备配备一个纳米机械手,其尖端直径为1~2 μm,可沿x、y、z轴运动,用该设备将试样原位转移至FIB专用载网上。此外,还配备了气体注入系统（GIS-Pt）,用于离子束诱导沉积及电子束诱导沉积,沉积后可作为保护层,并起到转移试样的作用。试样台水平安装在FIB腔室中,具有平移、旋转和倾斜等功能。TEM铜网夹安装在38°预倾台上,与离子束保持平行。 

选用小鼠股骨上皮质骨的生物试样进行试验,将试样镶嵌、粗磨、细磨、抛光后,采用离子溅射仪喷镀Pt来改善试样的整体导电性,随后在FIB-SEM中采取顶端环状刻蚀方法加工出微柱,其中最外环的直径为30 μm,这样既有利于在进行压缩试验时纳米压痕仪里的光学显微镜对微柱进行定位,也避免了压头运动时侧壁接触到试样,最终加工成的微柱直径约为5 μm,高度约为10 μm。再利用纳米压痕仪对微柱试样进行压缩试验,试验采用直径为10 μm的金刚石平压头,图1为压缩后微柱试样的扫描电镜（SEM）形貌。 

图  1  微柱试样压缩后的SEM形貌

1.2   试样制备

1.2.1   预加工

为了在微柱上选取合适的位置制备TEM试样,将试样台倾转至52°后,根据裂纹走向,选取前后裂纹均处于中间位置的区域进行预加工,利用清洁截面（CCS）模式将微柱两侧多余的区域切掉。加工过程中,打开SEM窗口,不断观察裂纹的变化,选取裂纹明显的位置停止加工。另一侧采取同样的方法进行预加工,最终保留的区域即TEM制样位置。预加工后,微柱在试样台倾斜角度为52°和0°下的SEM形貌如图2所示。 

图  2  微柱在试样台倾斜角度为52°和0°下的SEM形貌

1.2.2   沉积保护层

预加工完成后,需在微柱顶面沉积Pt保护层,对于该试样而言,沉积Pt层的作用有：在加工过程中防止离子束对表面造成损伤,并在减薄时保护目标区域；辅助纳米机械手转移试样。由于压缩后微柱直径仅为6 μm,若分别牺牲两侧1 μm将试样宽度固定在铜网上,则无法最大程度保留TEM试样的有效区域,因此为了保证微柱的大部分区域均在薄区内,需要借助沉积在微柱两侧的Pt搭载在铜网上。因此在离子束下对目标位置沉积Pt时,选择电压为30 kV,束流为0.23 nA,设置图形长度为12 μm,宽度为2 μm,即两边长度均超出微柱3 μm,沉积时间根据微柱表面Pt层厚度（约为2 μm）及两侧Pt的堆积情况而定。图3为沉积完成后试样的SEM形貌,可以看出左右两侧分别堆积了一部分Pt。 

图  3  沉积完成后试样的SEM形貌

1.2.3   两侧挖坑

选用FIB的电压为30 kV,束流为9.3 nA,利用常规截面（RCS）模式将需要加工的试样前后两侧掏空,由于微柱高度较高,因此加工图形的长度、宽度、高度分别为20,20,15 μm。两侧掏空后降低束流至2.5 nA,首先在54°时用CCS模式对试样正面进行精修,在精修时,每2 s观察一次电子束,尽量保留微柱中的裂纹。为了能直观看到试样另一侧的精修情况,将试样台转回0°,水平旋转180°后再次倾转至54°,对另一侧进行精修,精修后微柱试样的SEM形貌如图4所示,最终保留约1.5 μm的厚度。 

图  4  精修后微柱试样的SEM形貌

1.2.4   L形切

将试样台转回0°,离子束观察角度为180°,在束流为2.5 nA时用几个矩形(rectangle)图形并联刻蚀模式对试样进行L形切,L形切的目的是将薄片试样右侧和底部切断,保留左侧和基底连接部分做支撑,形成一个悬臂状试样（见图5）。由于微柱两侧均为Pt,且Pt外侧悬空,考虑到Pt和试样结合不牢固,为了避免试样与基体断裂,加工时采用右侧和底部切割的L形切,保证在刻蚀过程中试样不会因为自重导致连接处断开,而使试样掉落。为了防止因试样过高及离子束切割时存在一定的夹角而导致未切断的情况,L形切结束后可将试样台倾转20°,观察薄片试样底部是否与基体完全脱开,若未脱离,则转回0°继续加工底边,直至完全脱离。 

图  5  L形切后微柱试样的离子束形貌

1.2.5   提取

伸入纳米机械手,当机械手距离试样较近时,插入GIS-Pt,通过离子束窗口缓慢控制机械手下降,直到尖端刚好接触到Pt层。在离子束流为40 pA时,利用沉积Pt将机械手和试样紧密连接。焊接牢固后即可将试样切断,在较大束流下选择矩形图形与底部L形切处相接,使其与基底分离（见图6）,缓慢移出纳米机械手即提取成功。 

图  6  从基底上提取后微柱试样的离子束形貌

1.2.6   转移至专用铜网

在电子束下找到FIB专用铜网,并移至共心高位置,为了防止减薄过程中铜网反沉积造成试样污染,固定试样之前需倾转14°,在铜网上用离子束加工一个大小合适的深槽。加工完成后,继续将铜网倾转至52°,进纳米机械手至凹槽上方,缓慢将试样两侧落在凹槽上,并保证微柱处于凹槽的中间位置,伸入GIS-Pt,使用两个矩形图形同时沉积,将试样两端固定在铜网上。在试样产生弯曲倾向时,焊接点对试样有拉应力的作用,有效防止了试样的弯曲变形。当Pt沉积至一定厚度时,将试样与纳米机械手分离,退出机械手和GIS-Pt。 

1.2.7   减薄及清洗

减薄是微柱TEM试样制备的关键阶段,由于试样上存在裂纹等缺陷,因此减薄时需要注意两个方面：采用对称切削的方式对两面进行均匀减薄,这样两侧交替可以使应力互相抵消,降低试样变形几率；逐步减小离子束加工的电压束流、深度及加工区域的宽度。减薄时铜网转回0°并水平旋转180°,即正对离子束位置,将目标区域调整至共心高。由于该试样硬度较低,根据经验,减薄时将试样台倾转±1.3°,采用CCS模式分别完成两侧的等深度减薄过程,该试样需在150 nm（厚度）左右观察内部矿化胶原纤维走向排布,因此粗减薄后TEM试样厚度保留约200 nm。减薄时,两侧出现的白边不一定是上薄下厚导致的,可能是试样导电性较差所致,不能完全消除。 

高能离子束会在试样表面产生一层非晶层,而加速电压是影响非晶层厚度的主要因素,为了消除30 kV电压对试样表面造成的损伤,需逐级降低离子束电压,对试样表面进行清洗。减薄及清洗参数如表1所示,减薄及清洗前后试样的SEM形貌如图7所示。 

图  7  减薄及清洗前后试样的SEM形貌

2.   试验结果

使用TEM对制备的试样进行观察,结果如图8所示。由图8可知：试样厚度均匀,没有“窗帘”效应,可观察到胶原纤维走向,表明制备的TEM试样厚度达到要求,且损伤层较少。 

图  8  试样的TEM分析结果

3.   结语

提出了基于FIB-SEM制备小鼠骨骼微柱试样的TEM方法。在制样开始前进行了FIB预加工,以便更直接地观察到需要制样的位置。利用沉积在微柱两侧的Pt固定于专用铜网上,既解决了小试样的固定问题,又避免了占用微柱减薄后TEM试样的有效薄区。由于试样两侧悬空,将U形切改良为L形切,有效防止了试样从基体上掉落。该方法为制备微柱及凹坑内试样的透射电镜试样提供了技术参考。

文章来源——材料与测试网