為了更好地研究材料在微觀尺寸下的變形機(jī)制,眾多學(xué)者開始采用微柱壓縮試驗(yàn)來研究材料的微觀力學(xué)性能[1]。其中透射電子顯微鏡（TEM）是研究材料微觀結(jié)構(gòu)及其元素分布的重要設(shè)備,利用TEM可對微柱內(nèi)部發(fā)生的變形進(jìn)行觀察,因此TEM微柱試樣的制備質(zhì)量對TEM表征有較大影響。 

聚焦離子雙束電鏡（FIB-SEM）具有制樣精度高、檢測速率快等優(yōu)點(diǎn),FIB-SEM可以在高分辨率掃描電子顯微圖像監(jiān)控下進(jìn)行聚焦離子束微納米加工,充分利用了離子束和電子束的優(yōu)點(diǎn),并有效避免了兩者的缺陷。利用FIB-SEM制備特定位置、特定取向、特殊形狀的TEM試樣已經(jīng)成為其重要應(yīng)用之一[2-3]。在制備常規(guī)TEM試樣時(shí),制樣區(qū)域位于塊體材料的表面,且提取出的薄片長度均大于8 μm,最終TEM試樣薄區(qū)長度一般約為5 μm,但對于長度為1~8 μm的微尺度材料,由于其尺寸較小、形狀各異,TEM試樣的制備較困難。近年研究中,一些學(xué)者提出了利用FIB-SEM制備微米級(jí)粉末顆粒的TEM試樣技術(shù),其中KIM等[4]用焊料作為包埋劑,結(jié)合FIB制備了TEM試樣。LIU等[5]利用納米操控手的翻轉(zhuǎn),以及在顆粒下使用一小片鎢針作為支撐,分析了顆粒整個(gè)橫截面的元素分布情況。微柱變形試樣作為微尺度材料的一種,位于塊狀材料的凹坑內(nèi),微柱尺寸較小且周圍被挖空。要將其制備成保留微柱內(nèi)部裂紋的高質(zhì)量TEM試樣,須保證壓縮后微柱的完整性,且不能改變試樣的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。筆者對FIB-SEM制備TEM試樣的常規(guī)方法進(jìn)行了改進(jìn),成功制備出微柱變形試樣的TEM試樣,研究結(jié)果可為微柱及凹坑內(nèi)試樣的TEM試樣制備提供技術(shù)參考。 

1.   試驗(yàn)方法及試樣制備

1.1   試驗(yàn)方法

利用Thermo Helios G4 CX型FIB-SEM進(jìn)行試驗(yàn),該電鏡中電子束和離子束以52°角相交于一個(gè)共心點(diǎn),離子源采用液態(tài)金屬鎵離子源。該設(shè)備配備一個(gè)納米機(jī)械手,其尖端直徑為1~2 μm,可沿x、y、z軸運(yùn)動(dòng),用該設(shè)備將試樣原位轉(zhuǎn)移至FIB專用載網(wǎng)上。此外,還配備了氣體注入系統(tǒng)（GIS-Pt）,用于離子束誘導(dǎo)沉積及電子束誘導(dǎo)沉積,沉積后可作為保護(hù)層,并起到轉(zhuǎn)移試樣的作用。試樣臺(tái)水平安裝在FIB腔室中,具有平移、旋轉(zhuǎn)和傾斜等功能。TEM銅網(wǎng)夾安裝在38°預(yù)傾臺(tái)上,與離子束保持平行。 

選用小鼠股骨上皮質(zhì)骨的生物試樣進(jìn)行試驗(yàn),將試樣鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、拋光后,采用離子濺射儀噴鍍Pt來改善試樣的整體導(dǎo)電性,隨后在FIB-SEM中采取頂端環(huán)狀刻蝕方法加工出微柱,其中最外環(huán)的直徑為30 μm,這樣既有利于在進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)納米壓痕儀里的光學(xué)顯微鏡對微柱進(jìn)行定位,也避免了壓頭運(yùn)動(dòng)時(shí)側(cè)壁接觸到試樣,最終加工成的微柱直徑約為5 μm,高度約為10 μm。再利用納米壓痕儀對微柱試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)采用直徑為10 μm的金剛石平壓頭,圖1為壓縮后微柱試樣的掃描電鏡（SEM）形貌。 

圖  1  微柱試樣壓縮后的SEM形貌

1.2   試樣制備

1.2.1   預(yù)加工

為了在微柱上選取合適的位置制備TEM試樣,將試樣臺(tái)傾轉(zhuǎn)至52°后,根據(jù)裂紋走向,選取前后裂紋均處于中間位置的區(qū)域進(jìn)行預(yù)加工,利用清潔截面（CCS）模式將微柱兩側(cè)多余的區(qū)域切掉。加工過程中,打開SEM窗口,不斷觀察裂紋的變化,選取裂紋明顯的位置停止加工。另一側(cè)采取同樣的方法進(jìn)行預(yù)加工,最終保留的區(qū)域即TEM制樣位置。預(yù)加工后,微柱在試樣臺(tái)傾斜角度為52°和0°下的SEM形貌如圖2所示。 

圖  2  微柱在試樣臺(tái)傾斜角度為52°和0°下的SEM形貌

1.2.2   沉積保護(hù)層

預(yù)加工完成后,需在微柱頂面沉積Pt保護(hù)層,對于該試樣而言,沉積Pt層的作用有：在加工過程中防止離子束對表面造成損傷,并在減薄時(shí)保護(hù)目標(biāo)區(qū)域；輔助納米機(jī)械手轉(zhuǎn)移試樣。由于壓縮后微柱直徑僅為6 μm,若分別犧牲兩側(cè)1 μm將試樣寬度固定在銅網(wǎng)上,則無法最大程度保留TEM試樣的有效區(qū)域,因此為了保證微柱的大部分區(qū)域均在薄區(qū)內(nèi),需要借助沉積在微柱兩側(cè)的Pt搭載在銅網(wǎng)上。因此在離子束下對目標(biāo)位置沉積Pt時(shí),選擇電壓為30 kV,束流為0.23 nA,設(shè)置圖形長度為12 μm,寬度為2 μm,即兩邊長度均超出微柱3 μm,沉積時(shí)間根據(jù)微柱表面Pt層厚度（約為2 μm）及兩側(cè)Pt的堆積情況而定。圖3為沉積完成后試樣的SEM形貌,可以看出左右兩側(cè)分別堆積了一部分Pt。 

圖  3  沉積完成后試樣的SEM形貌

1.2.3   兩側(cè)挖坑

選用FIB的電壓為30 kV,束流為9.3 nA,利用常規(guī)截面（RCS）模式將需要加工的試樣前后兩側(cè)掏空,由于微柱高度較高,因此加工圖形的長度、寬度、高度分別為20,20,15 μm。兩側(cè)掏空后降低束流至2.5 nA,首先在54°時(shí)用CCS模式對試樣正面進(jìn)行精修,在精修時(shí),每2 s觀察一次電子束,盡量保留微柱中的裂紋。為了能直觀看到試樣另一側(cè)的精修情況,將試樣臺(tái)轉(zhuǎn)回0°,水平旋轉(zhuǎn)180°后再次傾轉(zhuǎn)至54°,對另一側(cè)進(jìn)行精修,精修后微柱試樣的SEM形貌如圖4所示,最終保留約1.5 μm的厚度。 

圖  4  精修后微柱試樣的SEM形貌

1.2.4   L形切

將試樣臺(tái)轉(zhuǎn)回0°,離子束觀察角度為180°,在束流為2.5 nA時(shí)用幾個(gè)矩形(rectangle)圖形并聯(lián)刻蝕模式對試樣進(jìn)行L形切,L形切的目的是將薄片試樣右側(cè)和底部切斷,保留左側(cè)和基底連接部分做支撐,形成一個(gè)懸臂狀試樣（見圖5）。由于微柱兩側(cè)均為Pt,且Pt外側(cè)懸空,考慮到Pt和試樣結(jié)合不牢固,為了避免試樣與基體斷裂,加工時(shí)采用右側(cè)和底部切割的L形切,保證在刻蝕過程中試樣不會(huì)因?yàn)樽灾貙?dǎo)致連接處斷開,而使試樣掉落。為了防止因試樣過高及離子束切割時(shí)存在一定的夾角而導(dǎo)致未切斷的情況,L形切結(jié)束后可將試樣臺(tái)傾轉(zhuǎn)20°,觀察薄片試樣底部是否與基體完全脫開,若未脫離,則轉(zhuǎn)回0°繼續(xù)加工底邊,直至完全脫離。 

圖  5  L形切后微柱試樣的離子束形貌

1.2.5   提取

伸入納米機(jī)械手,當(dāng)機(jī)械手距離試樣較近時(shí),插入GIS-Pt,通過離子束窗口緩慢控制機(jī)械手下降,直到尖端剛好接觸到Pt層。在離子束流為40 pA時(shí),利用沉積Pt將機(jī)械手和試樣緊密連接。焊接牢固后即可將試樣切斷,在較大束流下選擇矩形圖形與底部L形切處相接,使其與基底分離（見圖6）,緩慢移出納米機(jī)械手即提取成功。 

圖  6  從基底上提取后微柱試樣的離子束形貌

1.2.6   轉(zhuǎn)移至專用銅網(wǎng)

在電子束下找到FIB專用銅網(wǎng),并移至共心高位置,為了防止減薄過程中銅網(wǎng)反沉積造成試樣污染,固定試樣之前需傾轉(zhuǎn)14°,在銅網(wǎng)上用離子束加工一個(gè)大小合適的深槽。加工完成后,繼續(xù)將銅網(wǎng)傾轉(zhuǎn)至52°,進(jìn)納米機(jī)械手至凹槽上方,緩慢將試樣兩側(cè)落在凹槽上,并保證微柱處于凹槽的中間位置,伸入GIS-Pt,使用兩個(gè)矩形圖形同時(shí)沉積,將試樣兩端固定在銅網(wǎng)上。在試樣產(chǎn)生彎曲傾向時(shí),焊接點(diǎn)對試樣有拉應(yīng)力的作用,有效防止了試樣的彎曲變形。當(dāng)Pt沉積至一定厚度時(shí),將試樣與納米機(jī)械手分離,退出機(jī)械手和GIS-Pt。 

1.2.7   減薄及清洗

減薄是微柱TEM試樣制備的關(guān)鍵階段,由于試樣上存在裂紋等缺陷,因此減薄時(shí)需要注意兩個(gè)方面：采用對稱切削的方式對兩面進(jìn)行均勻減薄,這樣兩側(cè)交替可以使應(yīng)力互相抵消,降低試樣變形幾率；逐步減小離子束加工的電壓束流、深度及加工區(qū)域的寬度。減薄時(shí)銅網(wǎng)轉(zhuǎn)回0°并水平旋轉(zhuǎn)180°,即正對離子束位置,將目標(biāo)區(qū)域調(diào)整至共心高。由于該試樣硬度較低,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),減薄時(shí)將試樣臺(tái)傾轉(zhuǎn)±1.3°,采用CCS模式分別完成兩側(cè)的等深度減薄過程,該試樣需在150 nm（厚度）左右觀察內(nèi)部礦化膠原纖維走向排布,因此粗減薄后TEM試樣厚度保留約200 nm。減薄時(shí),兩側(cè)出現(xiàn)的白邊不一定是上薄下厚導(dǎo)致的,可能是試樣導(dǎo)電性較差所致,不能完全消除。 

高能離子束會(huì)在試樣表面產(chǎn)生一層非晶層,而加速電壓是影響非晶層厚度的主要因素,為了消除30 kV電壓對試樣表面造成的損傷,需逐級(jí)降低離子束電壓,對試樣表面進(jìn)行清洗。減薄及清洗參數(shù)如表1所示,減薄及清洗前后試樣的SEM形貌如圖7所示。 

圖  7  減薄及清洗前后試樣的SEM形貌

2.   試驗(yàn)結(jié)果

使用TEM對制備的試樣進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：試樣厚度均勻,沒有“窗簾”效應(yīng),可觀察到膠原纖維走向,表明制備的TEM試樣厚度達(dá)到要求,且損傷層較少。 

圖  8  試樣的TEM分析結(jié)果

3.   結(jié)語

提出了基于FIB-SEM制備小鼠骨骼微柱試樣的TEM方法。在制樣開始前進(jìn)行了FIB預(yù)加工,以便更直接地觀察到需要制樣的位置。利用沉積在微柱兩側(cè)的Pt固定于專用銅網(wǎng)上,既解決了小試樣的固定問題,又避免了占用微柱減薄后TEM試樣的有效薄區(qū)。由于試樣兩側(cè)懸空,將U形切改良為L形切,有效防止了試樣從基體上掉落。該方法為制備微柱及凹坑內(nèi)試樣的透射電鏡試樣提供了技術(shù)參考。

文章來源——材料與測試網(wǎng)