球差校正透射电子显微镜（AC-TEM/STEM）作为材料科学研究的革命性工具，能够实现亚埃级别的空间分辨率，让科研人员能够在原子尺度上直接观察材料的微观结构。然而，要获得高质量的原子级成像数据，样品制备是至关重要的第一步——甚至可以说，制样的质量直接决定了球差电镜测试的成败。
与普通透射电镜相比，球差电镜对样品的要求更为苛刻：样品需要更薄、更干净、损伤更小。钧研实验室将系统介绍球差电镜测试的样品制备方法，涵盖制样前准备、不同类型样品的制样技巧、注意事项以及常见问题解决方案，帮助科研人员制出高质量的电镜样品。
一、制样前准备
1.样品基本要求
球差电镜对样品有四大核心要求：超薄、低损伤、高稳定性、低污染。
超薄要求：样品厚度通常需要控制在50nm以下，对于高分辨STEM成像甚至要求20nm以下。过厚的样品会导致电子多重散射，严重影响像差校正效果，降低图像分辨率。
低损伤要求：制样过程中应尽量减少对样品晶体结构的破坏，避免引入空位、位错、晶格畸变等缺陷。FIB制样的损伤层通常需要控制在5nm以内。
高稳定性要求：样品在电子束辐照下应保持稳定，不易发生分解、相变或漂移。对于电子束敏感的材料，需要特殊的制样和测试策略。
低污染要求：样品表面应保持清洁，避免有机物、灰尘等污染物。积碳和污染会严重影响STEM成像质量，导致视野模糊。
2. 工具与材料准备
载网选择：粉末样品通常使用直径3mm的微栅或超薄碳膜载网。根据样品颗粒大小选择合适的载网类型：
大颗粒样品（>10nm）：可使用普通碳支持膜；
小颗粒样品（<10nm）：推荐使用超薄碳膜（厚度3-5nm）或微栅，减少支持膜对成像的干扰；
磁性样品：建议使用铜网或镍网，避免使用铁磁性材料的载网。
溶剂选择：分散粉末样品时，应选择高纯度的溶剂，如无水乙醇（99.9%以上）、去离子水或丙酮等。溶剂不能与样品发生化学反应，且应易挥发。
工具准备：无粉手套、钝头镊子、超声清洗器、红外灯或烘箱、等离子清洗仪等。
3.环境要求
制样过程应在清洁的环境中进行，推荐在超净台或层流罩下操作，避免空气中的灰尘污染样品。全程佩戴无粉手套，用镊子夹取载网边缘，避免手指直接接触样品区域。
二、样品制样方法
1.粉末/纳米颗粒样品
粉末或纳米颗粒样品是球差电镜测试中最常见的样品类型之一，如催化剂纳米颗粒、量子点、纳米氧化物等。常用的制样方法是超声分散-滴涂法，操作简单且成本较低。
制样步骤：
样品分散：取少量粉末样品放入洁净的小瓶或试管中，加入适量的无水乙醇或其他合适溶剂，配制成稀悬浊液。浓度不宜过高，否则颗粒容易团聚。
超声处理：将样品瓶放入超声清洗器中超声5-20分钟，使颗粒充分分散。超声时间和功率需根据样品特性调整，避免超声功率过大破坏样品结构。
滴涂制样：用滴管或移液枪取1-2滴分散好的悬浊液，轻轻滴在微栅或超薄碳膜铜网上。注意不要滴太多，以免溶剂挥发后颗粒堆积。
干燥：将载网放在滤纸上，室温自然晾干或用红外灯低温烘干，确保溶剂完全挥发。
清洗（可选）：对于容易积碳的样品，可在测试前用等离子清洗仪处理1-3分钟，去除表面有机污染物。
注意事项：
分散浓度是关键：浓度太高会导致颗粒团聚，浓度太低则视野中颗粒太少。建议先做预实验摸索最佳浓度。
超声条件要适度：过度超声可能导致纳米颗粒破碎或引入缺陷。
确保载网正反面正确：有碳膜的一面朝上，否则样品会直接落在铜网上无法观察。
2.块体样品
块体样品（厚度>1mm）无法直接用电子束穿透，需要通过特殊的减薄方法制备成电子透明的薄片。常用的制样方法包括聚焦离子束（FIB）制样、离子减薄和电解双喷。
方法一：聚焦离子束（FIB）制样
FIB是目前块体样品制样的主流方法，尤其适用于需要精准定位的样品，如晶界、缺陷、界面等特定区域的观察。
制样步骤：
沉积保护层：在目标区域表面沉积一层铂（Pt）或碳保护层，避免后续离子束刻蚀损伤待分析区域。
粗切割：用高能Ga离子束刻蚀目标区域两侧的材料，形成厚度约1μm的薄片。
样品提取：用微纳操作针将薄片从基体上分离出来，并转移到TEM载网上固定。
精细减薄：降低离子束能量，将薄片从两侧逐步减薄至电子透明的厚度（通常<50nm）。
低能清洁：最后用低能离子束对样品表面进行清洁处理，去除制样过程中产生的非晶层和损伤层。
优缺点：
优点：可精准定位目标区域，样品厚度均匀，制样成功率高，适用于各种硬材料（金属、陶瓷、半导体等）。
缺点：Ga离子可能对样品产生辐照损伤（如引入空位、晶格畸变）；制样成本较高；绝缘样品需提前喷碳避免充电效应。
方法二：离子减薄
离子减薄是利用高能氩离子轰击样品表面，通过物理溅射作用使样品逐渐减薄的方法。
制样步骤：
切割：将块体样品切割成约0.5mm厚的薄片。
圆片切取：用冲床或电火花切割获取直径3mm的圆片。
机械研磨：用砂纸或研磨机将圆片预减薄至10-30μm厚。
挖坑：在圆片中心用挖坑仪减薄至更薄（约几微米）。
离子减薄：用氩离子束从两侧轰击样品中心区域，直到出现小孔，孔的边缘即为电子透明的薄区。
优缺点：
优点：薄区面积较大，适用于不需要精确定位的样品；可制备大面积均匀薄区。
缺点：无法定点制样；制样周期较长；可能引入离子损伤；对于软硬相差异大的样品，减薄速率不均匀。
方法三：电解双喷
电解双喷是利用电化学腐蚀原理减薄金属样品的方法，主要适用于金属和合金样品。
优缺点：
优点：制样速度快，薄区面积大，无离子辐照损伤，成本较低。
缺点：仅适用于导电的金属样品；电解液的选择和电解参数需要根据材料优化；可能引入化学腐蚀或氧化。
3.薄膜样品
对于生长在衬底上的薄膜样品，制样方法取决于薄膜厚度和观察需求：
平面观察（俯视）：如果薄膜本身很薄（<100nm）且衬底不导电或不需要观察衬底，可以直接将薄膜样品（连同衬底）切割成小块，粘在载网上进行观察。但这种方法只能观察薄膜的表面形貌。
截面观察：如果需要观察薄膜的截面结构（如薄膜厚度、界面结构、多层膜分层等），通常需要使用FIB制样或离子减薄制备截面样品。FIB是制备薄膜截面样品的首选方法，可以精准控制截面位置，获得平整的截面。
三、制样质量控制与验证
制样完成后，在进行球差电镜测试之前，建议先对样品质量进行检查，避免浪费宝贵的机时。常用的验证手段包括：
光学显微镜观察：检查支撑网是否有明显褶皱、污染或样品团聚。这是最快速的初步筛查方法。
普通TEM检查：用120-200kV的普通透射电镜检查样品厚度均匀性（通过衬度判断，过厚区域衬度较暗）、薄区面积大小，以及是否有明显的结构损伤（如晶格畸变、非晶层）。
EDS能谱分析：检测样品是否有制样残留（如Ga、Pt等），避免污染球差电镜。
积碳测试：在普通TEM中用电子束照射样品一段时间，观察是否快速积碳。容易积碳的样品需要提前进行等离子清洗处理。
四、制样注意事项
1. 样品厚度控制：球差电镜对样品厚度非常敏感，尤其是高分辨STEM模式。一般来说，样品越薄，分辨率越高。对于HAADF-STEM成像，样品厚度最好控制在20-30nm以下。
2. 污染防控：制样全过程都要注意防污染。使用高纯度溶剂，在清洁环境下操作，戴无粉手套，避免用手直接接触样品区域。样品制好后应尽快测试，或保存在真空干燥器中。
3. 磁性样品特殊处理：含有铁、钴、镍等磁性元素的样品，制样时需要特别注意。磁性样品可能会被电镜的磁场吸出，污染极靴。建议将磁性样品制成粉末并充分分散，或使用专用的磁性样品杆。测试前务必告知测试人员样品具有磁性。
4. 电子束敏感样品：对于有机材料、生物样品、卤化物等电子束敏感的材料，应采用低剂量成像策略，制样时也要尽量减少电子束暴露时间。
5. 绝缘样品处理：非导电样品在FIB制样前需要喷碳或喷金，减少荷电效应。球差电镜测试时，绝缘样品也容易产生荷电，影响成像质量。
五、常见问题与解决方案
1. 样品积碳问题
现象：STEM成像时视野逐渐模糊，图像对比度下降，这是因为电子束轰击样品表面时，碳氢化合物等有机物分解并沉积在样品表面。
原因：样品中含有机物、制样过程引入有机污染、样品吸附空气中的污染物。
解决方案：
等离子清洗：测试前用等离子清洗仪处理样品1-5分钟，可有效去除表面有机污染物。但要注意清洗时间不宜过长，否则可能导致样品颗粒脱落或损伤。
电子束预辐照：在正式拍摄前，用大束流电子束照射待观察区域一段时间，使表面有机物提前碳化固定。
改善制样环境：在超净台制样，使用高纯度溶剂，减少污染源。
2. 样品团聚问题
现象：粉末样品颗粒聚集在一起，无法观察单个颗粒的形貌和结构。
原因：样品浓度过高、分散时间不足、溶剂选择不当、颗粒间存在强相互作用。
解决方案：
降低样品浓度，重新配制更稀的悬浊液。
延长超声时间或适当提高超声功率（注意不要破坏样品）。
更换分散溶剂，或添加少量表面活性剂（注意表面活性剂可能带来污染）。
尝试不同的制样方法，如喷雾法、旋涂法等。
3. FIB制样损伤问题
现象：样品表面出现非晶层、晶格畸变、空位等缺陷，影响真实结构观察。
原因：高能Ga离子轰击导致的辐照损伤。
解决方案：
精细减薄阶段使用低能离子束，减少损伤。
制样最后进行低能离子清洗或Ar离子抛光，去除损伤层。
使用低温FIB制样，降低离子损伤。
对于对Ga离子特别敏感的样品，可考虑使用Xe等离子FIB。
4. 样品不耐辐照问题
现象：电子束照射下样品快速分解、相变或漂移，无法获得清晰图像。
原因：样品本身电子束敏感，如有机材料、金属有机框架、卤化物钙钛矿等。
解决方案：
使用低剂量成像技术，减少电子束照射时间和剂量。
使用低温样品杆，在低温下测试可提高样品稳定性。
降低加速电压，减少电子对样品的损伤。
制样时尽量薄，减少电子与样品的相互作用。
球差电镜制样是一项需要耐心和技巧的工作，每一个细节都可能影响最终的成像质量。从样品准备到制样方法选择，从质量控制到问题排查，每一步都需要严谨对待。希望这份指南能帮助科研人员更好地掌握球差电镜制样技术，获得高质量的原子级成像数据。
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