為了更好地研究材料在微觀尺寸下的變形機制,眾多學者開始采用微柱壓縮試驗來研究材料的微觀力學性能[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,FIB-SEM可以在高分辨率掃描電子顯微圖像監(jiān)控下進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,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)成為其重要應用之一[2-3]。在制備常規(guī)TEM試樣時,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,一些學者提出了利用FIB-SEM制備微米級粉末顆粒的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)方法進行了改進,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.   試驗方法及試樣制備

1.1   試驗方法

利用Thermo Helios G4 CX型FIB-SEM進行試驗,該電鏡中電子束和離子束以52°角相交于一個共心點,離子源采用液態(tài)金屬鎵離子源。該設(shè)備配備一個納米機械手,其尖端直徑為1~2 μm,可沿x、y、z軸運動,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）,用于離子束誘導沉積及電子束誘導沉積,沉積后可作為保護層,并起到轉(zhuǎn)移試樣的作用。試樣臺水平安裝在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°預傾臺上,與離子束保持平行。 

選用小鼠股骨上皮質(zhì)骨的生物試樣進行試驗,將試樣鑲嵌、粗磨、細磨、拋光后,采用離子濺射儀噴鍍Pt來改善試樣的整體導電性,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,這樣既有利于在進行壓縮試驗時納米壓痕儀里的光學顯微鏡對微柱進行定位,也避免了壓頭運動時側(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行壓縮試驗,試驗采用直徑為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   預加工

為了在微柱上選取合適的位置制備TEM試樣,將試樣臺傾轉(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)域進行預加工,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)采取同樣的方法進行預加工,最終保留的區(qū)域即TEM制樣位置。預加工后,微柱在試樣臺傾斜角度為52°和0°下的SEM形貌如圖2所示。 

圖  2  微柱在試樣臺傾斜角度為52°和0°下的SEM形貌

1.2.2   沉積保護層

預加工完成后,需在微柱頂面沉積Pt保護層,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,并在減薄時保護目標區(qū)域；輔助納米機械手轉(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位置沉積Pt時,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°時用CCS模式對試樣正面進行精修,在精修時,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,將試樣臺轉(zhuǎn)回0°,水平旋轉(zhuǎn)180°后再次傾轉(zhuǎn)至54°,對另一側(cè)進行精修,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

將試樣臺轉(zhuǎn)回0°,離子束觀察角度為180°,在束流為2.5 nA時用幾個矩形(rectangle)圖形并聯(lián)刻蝕模式對試樣進行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因為自重導致連接處斷開,而使試樣掉落。為了防止因試樣過高及離子束切割時存在一定的夾角而導致未切斷的情況,L形切結(jié)束后可將試樣臺傾轉(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

伸入納米機械手,當機械手距離試樣較近時,插入GIS-Pt,通過離子束窗口緩慢控制機械手下降,直到尖端剛好接觸到Pt層。在離子束流為40 pA時,利用沉積Pt將機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°,進納米機械手至凹槽上方,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,使用兩個矩形圖形同時沉積,將試樣兩端固定在銅網(wǎng)上。在試樣產(chǎn)生彎曲傾向時,焊接點對試樣有拉應力的作用,有效防止了試樣的彎曲變形。當Pt沉積至一定厚度時,將試樣與納米機械手分離,退出機械手和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,因此減薄時需要注意兩個方面：采用對稱切削的方式對兩面進行均勻減薄,這樣兩側(cè)交替可以使應力互相抵消,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,減薄時將試樣臺傾轉(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,兩側(cè)出現(xiàn)的白邊不一定是上薄下厚導致的,可能是試樣導電性較差所致,不能完全消除。 

高能離子束會在試樣表面產(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,需逐級降低離子束電壓,對試樣表面進行清洗。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.   試驗結(jié)果

使用TEM對制備的試樣進行觀察,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,可觀察到膠原纖維走向,表明制備的TEM試樣厚度達到要求,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。在制樣開始前進行了FIB預加工,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)