通过FIB如何制备TEM试样？

在我们常接触的表征分析方法中，扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)能对样品表面进行形貌观察与成份分析，但却不能获取样品内部信息；透射电子显微镜( Transmission Electron Microscopy，TEM)虽然能对反映样品内部(或表面)信息的薄膜样品进行形貌、成份、结构信息分析，但前提是能制备出待分析区的薄膜样品，而传统的透射电镜样品制备方法越来越难以适应纳米材料表征中对特定位置、特定方向制样的严格要求。为解决这些问题，聚焦离子束系统的应用得到不断拓展。

双束聚焦离子束系统

双束聚焦离子束系统可以简单理解为单束聚焦离子束系统与普通SEM的耦合。单束聚焦离子束系统由离子源、离子光学柱、束描画系统、信号采集系统和样品台5 部分构成。离子源设置在离子束镜筒的顶端，在其上加较强的电场可以抽取出带正电荷的离子，这些离子通过静电透镜及偏转装置的聚焦和偏转来实现对样品的可控扫描。样品加工是通过将加速的离子轰击样品使其表面原子发生溅射来实现，同时产生的二次电子和二次离子被相应的探测器收集并用于成像。为了避免离子束受周围气体分子的影响，与扫描电镜类似，样品腔和离子束镜筒需要在高真空条件下( ＜7×10－6 Pa) 工作。

常见的双束设备是电子束垂直安装，离子束与电子束成一定夹角安装，如下图所示。通常称电子束和离子束聚焦平面的交点为共心高度位置。在使用过程中样品处于共心高度的位置即可同时实现电子束成像和离子束加工，并可以通过样品台的倾转使样品表面与电子束或离子束垂直。

双束系统还可以配备不同的附属设备以达到特定目的，如：特定的气体注入系统( GIS) ， 能谱或电子背散射衍射系统，纳米操纵仪和各种可控的样品台。

离子源

离子源是双束系统中的关键部件，是产生离子束的装置。离子源的关键技术指标包括: 离子束流强度范围，离子能量范围，最小束斑尺寸，发射离子的稳定性，使用寿命等。这些技术指标往往决定了整个离子束设备的性能和加工工艺水平。因此，聚焦离子束加工系统的发展与离子源的开发密切相关。

目前可用的离子源包括: 液态金属离子源，可以用于液态金属离子源的元素包括Al、As、Au、B、Be、Bi、Cs、Cu、Ga、Ge、Fe、In、Li、Pb、P、Pd、Si、Sn、U 和Zn 等; 气体场离子化源( GFIS)，例如，用He + 可获得10 nm 以下的刻蚀线; 电感耦合等离子体源( ICP)，通过使用惰性气体或其它活性气体可以实现大范围的加工速率; 液态金属合金离子源( LMAISs)，可利用周期表中相当大范围的元素，能够实现纳米尺度上的加工和掺杂等新功能。

目前应用最广泛的离子源是液态金属镓离子源 。一方面是因为镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力; 另一方面，相对于其它离子源而言，金属镓离子源具有以下特点: 发射稳定、使用寿命长，一颗离子源激活以后能够稳定工作上千小时; 较小的源尺寸，能达到5nm 的束斑尺寸；离子源束流范围大，为1 pA 至几十nA，可以较好的兼顾加工精度和加工速度。

基本工作模式

聚焦离子束有三种基本工作模式，成像、加工和沉积。

TEM样品制备

在研究人员感兴趣的样品区域内定点制备高质量的透射电子显微镜(TEM) 样品是双束系统在材料科学领域最重要的应用之一。聚焦离子束制备TEM试样的基本流程如下：

1. Platinum deposition：用电子束或离子束辅助沉积的方法在待制备TEM试样的表面蒸镀Pt保护覆层，以避免最终的TEM试样受到Ga离子束导致的辐照损伤；

2. Bulk-out：在带制备的TEM试样两侧用较大的例子束流快速挖取“V”型凹坑；

3. U-cut：在步骤（2）中切取出的TEM薄片上切除薄片的两端和底部；

4. Lift-out：用显微操控针将TEM试样从块状基体移出，试样与针之间用蒸镀Pt方式粘结；

5. Mount on Cu half-grid：用显微操控针将移出的TEM薄片转移并粘接在预先准备好的TEM支架上；

6. Final milling：用较小利息束流对TEM薄片进一步减薄，直至厚度约约100 nm。

按照是否需要使用探针将感兴趣区域进行提取并使其脱离母体，TEM样品的制备可分为非提取法和提取法。非提取法是在经过预减薄的样品上，通过对感兴趣区域进行定点FIB 加工以制取电子透明的观测区。值得注意的是，在使用提取法制备TEM样品的过程中，最后的减薄工艺流程直接关系到是否能得到高质量的TEM照片。

如果对提取的样品进行整体减薄，容易出现样品弯曲的问题。采用能够提高样品自支撑性的H 型或X 型方法减薄样品则可避免样品弯曲的问题。

交叉减薄的过程利用X2 样品台的旋转来完成。图4 为X2 样品台模型图。焊接有样品的铜网被固定在样品卡槽处。X2 样品台上的滑动齿轮带动样品转动，转动的角度为90°。交叉减薄时样品台倾斜54°，先在样品的一侧减薄，然后通过旋转样品台180°更换减薄面。在旋转过程到90°时，滑动齿轮在自身重力的作用下，从一端滑到另一端，样品转动90°，继续旋转90°样品的另一面暴露到离子束的作用面下。再次利用离子束减薄后将得到一个稳定、均匀的交叉薄区。

对金属材料尤其是轧制板材，在TEM试样制备过程中，随着试样厚度的不断减少，试样中残余的应力随之释放，进而导致试样的弯曲或卷曲现象。对随后的TEM微观结构带来极大的影响和误差。可以采用单端固定TEM试样进行最终减薄，两端固定TEM试样进行传统减薄，两端固定TEM试样进行梯度减薄等方法避免试样发生弯曲。

有时为了测试方便，需要变化纳米材料制样方式。以近年研究较热的可变电阻式存储器( ReRAM) 为例，实际的器件是一块以硅片为基底的多层膜结构。为了研究其存储机理，需要从该器件的指定方位上提取一薄片在透射电子显微镜( TEM) 下原位观察材料在外加电场作用下的内部结构变化。薄片的制备可采用双束系统的TEM 样品制备技术，但薄片将来不仅仅被用于观察目的，还要能适用于后续的电学测试，即测试电源的电压能方便地加载在器件两端。为此，可将ReRAM 多层膜结构沉积在钨针尖上，然后对表面的多层膜进行减薄切割，形成多个供测试的纳米片。钨针尖一方面能牢固支撑薄片结构，另一方面还作为一端测试电极。

虽然FIB 可方便、准确地制备特定微区的TEM样品，但高能离子束会在样品表面制造出一层非晶层。研究表明，加速电压是影响非晶层厚度主要因素，降低加速电压，可以有效控制非晶层的厚度。

同传统TEM样品制备方法相比，FIB系统制备TEM 样品有以下特点: ①定点、定向精度高。定位精度小于0. 5 μm 时，为唯一方法; ②几乎不用样品准备; ③制样时间短; ④制样成功率高; ⑤对加工材料不敏 感。对带孔的、脆的、软/硬结合材料( 如软Polymer/金 属) 也可实现制样; ⑥可对同一块材料的不同时段进行特性分析。当前，利用 SEM 或 TEM 进行纳米材料的原位力学/ 电学性能测试备受关注。FIB 系统也可以为这些试验制备相应的样品。

参考文献：

[1] FIB-SEM 双束技术简介及其部分应用介绍

[2] FIB/SEM 双束系统在微纳加工与表征中的应用

[3] FIB/SEM 双束系统在微纳米材料电学性能测试中的应用

[4] 聚焦离子束法制备金属材料的TEM试样。

[5] 聚焦离子束技术制备超薄TEM 样品—X2 样品台的应