理想的TEM样品要求均匀分散或均匀减薄，具有良好的导电性，同时耐电子束轰击。
TEM样品制备的方法有很多种，材料的类型不同，选取的制样方法就会有所不同，适合的制样方法对透射电镜的观察效果有着重要的影响
比如，粉末样品或者材料分散液采用超声分散法；合金样品可以选择单独采用或者结合双喷电解抛光法、离子减薄法或者聚焦离子束技术这几种方法；对于一些有机样品或者生物样品，可以选择超薄切片技术或者负染法。
以下重点介绍几种目前适用于TEM样品的制备方法及技术。
对于粉末状纳米材料或纳米材料分散液，最常用的制样方法就是超声波法。
超声波法主要操作步骤如下：取少量样品放入易挥发、与样品不发生反应的溶剂当中，用超声波充分分散后滴至微栅或支持膜上，常温自然干或红外灯烘干便可进行TEM观察。
根据样品的性质选择合适的溶剂，常用的溶剂有水、乙醇、丙酮、氯仿等。对于样品尺寸偏大导致电子束无法穿透的材料，可以先将试样放入玛瑙研钵中研碎再进行超声分散，比如氧化物陶瓷材料。
二、双喷电解抛光法
双喷电解抛光法主要用于制备金属和合金薄膜试样。
在双喷电解抛光之前，样品一般要进行预减薄，其操作流程如下：用精密切割机或复式线锯将块体试样切成0.3mm左右的均匀薄片。接着用砂纸将薄片机械研磨至100μm左右的厚度。随后机械抛光或使用化学抛光液将薄片减薄至40μｍ左右，最后用冲孔机冲下 Ф３ ｍｍ 的圆片以备终减薄使用。
双喷电解法是终减薄的其中一种方法，其原理如图1所示：将抛光好的薄片作为阳极，用白金或不锈钢作为阴极，在阳极试样中心的两侧喷射电解液进行双喷电解减薄。当圆片的中心出现小孔，电解双喷设备的光敏元件输出电讯号，抛光线路电源切断，电解减薄终止。随后立即将薄膜放入酒精中漂洗干净以防形成氧化物类的污染层。
图1：双喷电解减薄法的示意图
三、离子减薄法
离子减薄法可用于陶瓷材料、合金、复合材料、多相半导体以及截面样品的TEM样品制备。
使用离子减薄方法制备TEM样品之前，同样需要对样品进行预减薄，操作步骤如下：一般采用机械研磨的方法或金刚石切割器将试样减薄为100μｍ 厚度的薄片，随后用冲孔机冲下 Ф3 ｍｍ 的圆片，对于陶瓷等脆性材料，需要用 Ф3 ｍｍ 的金属环补强；再用凹坑机在圆片中央部位磨出一个凹坑以备离子减薄使用。
离子减薄主要是利用高能惰性气体离子（通常使用的是 Ar 离子）轰击试样表面，使表面的原子溅射出来，其原理图如图2所示。
图2：离子减薄法的示意图
试样在一特殊架上旋转，离子束在样品的两侧以一定的倾角（5° ～30°）轰击样品相反的两个面。开始时一般选择快速减薄，设定高入射角的离子束。随着样品减薄特别是接近穿孔或已穿孔，离子束入射角要减小，以减少试样表面损伤。
所有材料在减薄过程中，最好使用液氮制冷以避免离子损伤产生的空穴引起扩散性的改变。样品预减薄的厚度、离子束的入射角、电压、束流大小等都会影响试样的减薄效果，不同的样品，工艺参数就会有所区别。
四、聚焦离子束技术（FIB）
聚焦离子束技术适用范围相当广泛，大多数块体材料的TEM样品都可以采用聚焦离子束（ focused ion beam，FIB）技术，与传统的电解双喷和离子减薄等制样方法相比，该技术具有精度高、速度快、成功率高等特点，特别是可以制备出具有特定微观区域的TEM样品。
该技术由聚焦离子束扫描电子显微镜（ FIB-SEM 双束系统）来完成，其工作原理如图3所示。
图3：FIB-SEM 双束系统示意图
电子束垂直安装，离子束与电子束成一定的夹角安装，通常称电子束和离子束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离子束加工和电子束成像，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。
目前最常用的离子源为液态金属Ga离子源，它具有低熔点，低蒸气压，良好抗氧化性，且束流范围大，束斑尺寸小等特性。
五、超薄切片技术
超薄切片技术多适用于制备生物样品、聚合物样品以及比较软的无机材料的TEM样品。
生物样品的制备过程相对复杂，大致可以分为以下几个步骤：取材、固定、漂洗、脱水、浸透、包埋、修整定位和超薄切片。
为了能够观察到接近生活状态时的生物组织或细胞，要求取材速度越快越好。取完后立即使用固定剂固定，时间间隔越短越好，常用固定剂有四氧化锇固定液、戊二醛固定液和多聚甲醛固定液。
为了去除残留的固定液，需要使用缓冲液对其进行漂洗，常用漂洗液为0.1 mol/L 的磷酸缓冲液。由于大多数的包埋剂不溶于水，漂洗后的组织块，应使用脱水剂去除组织中的游离水，有利于包埋剂均匀渗入组织块内，常用的脱水剂有乙醇和丙酮。
随后选择合适的包埋剂对其进行包埋使之具有良好的硬度和切割性能。也可以使用脱水剂来稀释包埋剂，以实现包埋剂取代脱水剂，这个过程就是渗透。包埋处理一般使用的是丙烯基类的树脂或环氧类的树脂。
将包埋块修块定位好后就可以超薄切片了，此步骤需要使用到超薄切片机，其原理如图4所示。超薄切片机通过上下移动固定试样的臂，使样品通过金刚石刀进行切片，样品每上下运动一次就自动向前进一点。通常，水槽中装满水，连续切出的薄片都漂浮在水面上，最后用铜网捞出。
图4：超薄切片的示意图
六、负染法
负染法主要用于制备病毒、细菌、细胞、生物大分子等TEM样品。负染色又称为阴性反差染色，它主要是利用密度反差和静电场反差来提高样品的分辨力。
生物样品的负染过程相对简便，先将样品制成悬浮液，随后采用悬滴法将其附着于载网上。
具体方法如下：将悬浮液用毛细吸管或移液枪滴一滴附着于载网上，呈液珠状。静置数分钟再用滤纸的边角在液珠的边缘吸走多余的液体。然后滴上一种合适浓度的染液静置数分钟，样品不同染色时间差异很大。待染色结束自然风干后便可用透射电子显微镜观察。一般可选择的染色液有磷钨酸溶液、磷钨酸盐溶液和醋酸铀水溶液等。
2019年2月，马克斯普朗克研究所Baptiste Gault等人在Nature Communications上发表了题为《Ti and its alloys as examples of cryogenic focused ion beam milling of environmentally-sensitive materials》的研究论文。
在这篇论文中，FIB（聚焦离子束） 技术被广泛用于制备钛及其合金的样品及透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）的观察与分析。论文的核心是研究低温 FIB（cryo-FIB）在制样过程中如何减少氢的吸收和氢化物的形成，从而为钛及其合金的微观结构和性能研究提供更准确的样品制备方法。
1. FIB-TEM用于样品制备
FIB技术被用来制备适合透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）分析的样品。传统的FIB制样方法（如室温下的Ga-FIB或Xe等离子体FIB）会导致氢吸收和氢化物形成，而低温FIB（cryo-FIB）能够有效避免这些问题。
传统方法的局限性：
传统的FIB制样方法（如室温下的Ga-FIB或Xe等离子体FIB）会导致氢吸收和氢化物形成。作者通过TEM观察到，传统方法制备的样品中存在δ-氢化物相（见图1a-c）。
低温FIB的优势：
低温FIB（cryo-FIB）在−135 °C下进行样品制备，能够有效防止氢吸收和氢化物形成。作者通过TEM观察到，低温FIB制备的样品中没有氢化物形成（见图1d）。
2. FIB-TEM用于微观结构表征
FIB-TEM技术被用来研究不同制样方法对钛合金微观结构的影响。
传统方法的观察结果：
在传统FIB制备的样品中，观察到明显的δ-氢化物相（见图1a-c），δ-氢化物相的形成与样品制备过程中氢的引入有关。
低温FIB的观察结果：
在低温FIB制备的样品中，仅观察到钛基体和位错线，没有氢化物形成（见图1d），位错线是由于材料加工过程中引入的，而不是制样过程中产生的。
3. FIB-TEM用于氢含量测量
FIB-TEM结合原子探针断层扫描（APT）技术，用于测量样品中的氢含量。
传统方法的氢含量：
在传统FIB制备的样品中，检测到较高的氢含量（2–6 at.% H在α相，13–19 at.% H在β相）。
低温FIB的氢含量：
作者通过APT分析（见图2）显示，低温FIB制备的样品中没有检测到氢化物，且氢含量接近分析室的背景水平。
4. FIB-TEM用于分子动力学模拟支持
FIB-TEM技术结合分子动力学（MD）模拟，用于研究离子注入和氢扩散的机制。
模拟结果：
MD模拟显示，低温条件下，氢的扩散受到显著抑制。在低温FIB制样过程中，氢的扩散深度被限制在表面5 nm以内（见图3和图4）。
图1：透射电子显微镜表征。
图2：原子探针显微分析。
图3：分子动力学（MD）模拟。
图4：扫描电子显微镜内的压力。
作者介绍：Baptiste Gault博士是马克斯普朗克研究所的原子探针断层扫描小组组长，同时在伦敦帝国理工学院任兼职教授。他的研究聚焦于能源材料中的氢问题和材料的基本机制理解，特别是在合金设计和微观结构物理方面。Gault博士在材料科学领域具有丰富的研究经验，曾在多个国际知名学术机构任职。
透射电子显微镜是一种研究物质微观形貌、显微结构以及微观成分的高端仪器，可以实现在原子尺度上对“加工处理⁃结构⁃性质”的关联性研究。因此，透射电子显微分析技术是科学研究过程中不可缺少的表征手段。 然而，能否制备好透射电子显微镜样品是利用好该仪器的关键因素。对于不同类型的透射电子显微镜样品，应该采取不同的制样方法。
参考文献：
[1]LU Zhao;WEI Hui-xin;CHEN Xia;ZENG Hong-xia;DING Yu-kui;SONG Wu-lin, Review of Preparation Methods and Techniques of TEM Samples[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(19): 8039-8049.
[2]Chang, Y., Lu, W., Guénolé, J. et al. Ti and its alloys as examples of cryogenic focused ion beam milling of environmentally-sensitive materials. Nat Commun 10, 942 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-08752-7