总结：本文详细介绍了聚焦离子束（FIB）与透射电镜（TEM）结合的技术体系，包括TEM的核心分析能力、FIB技术的发展简史与基本原理，重点阐述了FIB在TEM样品制备中的关键作用，以及FIB-SEM双束系统的优势，还提及该技术在材料科学（如催化剂、半导体）和地球科学（如矿物包裹体、陨石夹杂物）中的具体应用。
读者可学习到FIB-TEM联用技术的工作逻辑与TEM样品制备的实操步骤，了解如何利用该联用技术实现纳米级材料的结构观察、成分分析及三维表征，为开展材料、地质领域微区精细研究提供全面的技术参考与问题解决思路。
透射电子显微镜（TEM）是一种功能强大的分析工具，可分析各种合成材料和天然材料。聚焦离子束技术（FIB）是TEM样品制备的理想工具，可从任何感兴趣的区域制备典型尺寸为15×10×0.150 µm的电子透明薄片。FIB样品制备只需消耗少量材料（15× 10× 0.150 µm的薄片，约2300 µm3），大部分材料基本上不受取样过程的影响。
TEM的高分辨率成像和电子衍射可提供重要的辅助结构信息，晶体结构信息和化学成分信息的结合，可以对相关物质进行完整的表征。高分辨率元素图谱或线扫描可用于获取材料逐个像素的完整能量色散X射线分析(EDX)光谱。随后对数据进行评估，可将EDX光谱与相应的元素图谱或线扫描与图像相关联，从而说明0.5-1.0 wt.%级别的空间分辨化学成分变化。
1 透射电子显微镜（TEM）技术特点
利用TEM可以通过三种不同的分析技术获得固态样品的化学信息：能量色散X射线分析（EDX）、电子能量损失光谱（EELS）和高角度环形暗场成像（HAADF）。
1 Cliff, G., Lorimer, G.W., 1975. The quantitative analysis of thin specimen. Journal Microscopy 103, 203–2072 Williams, D.B., Carter, C.B., 1996. Transmission electron microscopy A textbook for materials science. Plenum Press, pp. 649–653.
1 Egerton, R.F., 1996. Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope, Plenum Press,
2 Brydson, R., 2001. Electron energy-loss spectroscopy. Microscopy Handbooks 48, Royal Microscopy Soc. Microscopy Handbooks. BIOS Scientific Publishers Ltd, p. 136.
1 Spence, J.C.H., 2003. High-resolution electron microscopy. Oxford University Press, pp.237–261.
2 Williams, D.B., Carter, C.B., 1996. Transmission electron microscopy A textbook for materials science. Plenum Press, pp. 649–653.
图3 催化剂Cu2O-Pt/SiC/IrOx 的 a TEM、b HRTEM 图像和 c STEM 图像及相应的EDS 元素分布图，C-K、Si-K、Pt-L、Cu-K 和 Ir-L。DOI:10.1038/s41467-020-16742-3
利用电子衍射技术，如选定区域电子衍射（SAED）或会聚束电子衍射（CBED），可以从很小的体积中形成衍射图样，从而获得样品的结构信息。从历史上看，CBED 是最古老的TEM电子衍射技术（Kossel和Möllenstedt, 1939年）。
图4 会聚束电子衍射（CBED）示意图
https://www.slideserve.com/alea-huff/tem-technique-for-nano-science-i-convergent-beam-electron-diffraction-cbed
高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）可生成分辨率至原子尺度的图像。高分辨率图像的傅里叶变换产生的衍射图样包含与SAED或CBED衍射图样相同的结构信息。TEM的最新发展使研究人员能够以亚埃分辨率分析元素原子柱1。高分辨率Z衬度和相衬成像的结合可以揭示界面的整体结构，包括化学成分2-3。在TEM中，结合电子枪单色器对物镜进行球差校正（Cs–correction）的先进技术，使TEM的分辨率达到了原子级（约0.07 nm）。这种独特的分辨率使TEM成为nm级研究的理想工具，在材料和地球科学领域中变的越来越重要。
图5 使用 赛默飞Talos F200 S/TEM成像的铂/铑催化剂纳米颗粒在大视野中显示。数字变焦允许提取到原子级的详细信息（插图）。4k×4k Ceta CMOS 摄像机及其大视野使得可以在整个高张力范围内以高灵敏度和高速进行实时数字缩放（左）。使用Talos F200 TEM采集的BaTiO₃/SrTiO₃界面的高分辨率 TEM (HRTEM) 图像。https://www.thermofisher.cn/cn/zh/home/materials-science/imaging-using-hrstem.html
TEM研究需要电子透明的试样，试样厚度通常小于200nm，这取决于加速电压。过去，在地球科学领域使用TEM时，样品制备是一大障碍，尤其是多晶材料。通常情况下，地质材料的制备方法是使用氩离子研磨或粉碎试样，然后将悬浮颗粒放置到特制的TEM网格上。粉碎样品并将其分散在液体中会破坏被测颗粒的所有空间信息。
2 材料/地质样品的TEM制备方法
对于地质样品，氩离子研磨会在厚度不均匀的孔周围形成楔形样品，使用楔形样品进行元素分布图或线扫描会受到严重影响。这种方法的另一个缺点是试样上的孔洞是随机出现的，因为在多晶体试样中，最薄弱的部分会被优先减薄。
这两种样品制备技术都不能够在TEM专家特别感兴趣的取样位置制备薄片。近十多年前，地球科学领域引入了FIB样品制备技术，克服了这一问题。FIB是一种针对特定部位的样品制备技术，可从金属、合金、陶瓷、矿物、玻璃和有机材料中制备出宽15-20µm、高10-15µm、厚约100-150nm的薄片。
3 聚焦离子束（FIB）技术简史
20世纪70年代中期，芝加哥大学和俄勒冈研究生院开发了聚焦镓离子束装置。FIB的首次应用是在半导体行业，利用来自液态金属离子源（如镓离子源）的高电流密度聚焦离子束（LIMIS），从集成电路上铣削出微米大小的结构1。随后几年，FIB主要用于半导体行业的样品制备，典型应用包括质量控制、晶圆修复和微电子故障分析。
1 Puretz, J., Orloff, J., Swanson, L., 1984. Application of focused ion beams to electron beam testing of integrated circuits. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, vol. 471, pp. 38–46.
近年来，越来越多关于FIB在地球科学中应用的报道。目前，FIB在地球科学领域的主要应用是特定区域的TEM薄片制备；不过，这种技术也越来越多地用于其他目的，如钻石的微加工、APT的样品制备等。
1 Heinemann, S., Wirth, R., Gottschalk, M., Dresen, G., 2005. Synthetic [100] tilt grain boundaries in forsterite: 9.9 to 21.5°. Physics Chemistry Minerals 32, 229–240
2 Seydoux-Guillaume, A.-M., Wirth, R., Deutsch, A., 2003. Transmission electron microscopy study of polyphase and discordant monazites: site-specific specimen preparation using the focused ion beam technique. Geology 31,
4 FIB 技术基本原理
FIB基本原理是用加速重离子轰击靶材，将原子从靶材中溅射出来。溅射过程的效率主要由离子源决定，离子源必须满足以下几个要求：在给定的加速电压（通常为30千伏）下，重离子的动量传递应达到最大；源材料应具有低熔点和低蒸气压。
FIB通常是镓离子源，镓的熔点为 29.8 ℃。镓液态金属离子源（LMIS）由一个连接钨针的小型镓贮槽组成。固态镓被加热到熔点，液态镓通过表面张力流向针尖，从而润湿钨针。施加在钨针尖末端的强电场（108 V/cm）会使液态镓形成直径约2-5nm的点源，并从狭窄的针尖析出。镓离子在电场（高达30千伏）中加速。持续不断的液态镓流向尖端，补充提取的Ga+离子，从而形成恒定的离子电流，这是自动溅射工艺的基本要求。
图6 SEM-FEG电子源、 Ga-FIB-LMIS离子源 以及He,Ne-FIB-GFIS离子源示意图
https://lab.kni.caltech.edu/index.php/File:SEM-FEG_Ga-FIB-LMIS_and_He,Ne-FIB-GFIS_Sources.png
镓离子与材料之间的相互作用，伴随着离子的能量损失。离子会发生弹性碰撞，入射离子向靶原子传递动量，这被称为溅射过程。如果表面原子获得的动能足以克服靶原子的结合能，它就会作为溅射粒子被射出。入射的Ga+离子可能会通过碰撞级联释放动能，并在靶材料表面以下一定距离处静止，这就是所谓的离子注入。这一过程总是与辐射损伤结合在一起，可使材料在离子的穿透深度内成无定形态。
如果入射离子从靶表面反向散射出来，就会停留在靶材料表面，导致镓重新沉积到靶上。入射Ga+离子与靶材料的非弹性散射会产生二次电子、声子、等离子体和X射线。二次电子可用于成像(特别是在单束FIB仪器中)，使用连续动态电子倍增器 (CDEM) 探测器收集电子。
5 TEM薄片的原位抬出技术
FIB设备是为TEM样品制备而优化的，但微加工以及取向衬度成像和金属沉积也是常见的应用（Wirth，2005）。电子透明薄片片适用于TEM进一步的研究，如传统的明/暗场成图、电子衍射、EELS光谱、HRTEM、分析电子显微镜 (AEM) 和HAADF。
适合制备FIB样品的初始材料包括——矿物和岩石切片、嵌入环氧树脂的粉末材料、金属、合金、玻璃和许多其他类型的陶瓷材料，样品表面粗糙度应小于1µm。样品的形状并不重要，但对于未抛光的样品表面，可能很难在光学显微镜下确定溅射点，以便取出金属薄片。半导体或绝缘体需要在FIB铣削之前涂上一层薄薄的导电材料（如碳、金）。标准TEM薄片的典型尺寸为 15-20 µm×10 µm×0.150 µm，可在约4小时内通过全自动流程铣制完成。
在全自动制备过程中，有必要对各个研磨步骤之间的电子束偏移或样品漂移进行补偿。电子束偏移是由于铣制沟槽的导电性不足导致试样充电引起的。在薄片厚度低于500 nm的最后铣削步骤中，尤其需要这种补偿。这种补偿是利用样品表面的参考标记（如铣削十字）来实现的，这些标记是在铣削位置附近的表面上切割留下的。下一步也是最重要的一步，在需要切割薄片的区域沉积一层薄薄的（1-2 µm）铂或钨保护层（即金属沉积）。
铂沉积是通过在Ga+离子束中分解有机铂气（三甲基铂，用化学气相法沉积 ）来完成的，同时离子束在预先选择的方框内扫描（图7a，b）。气体分子被吸附在靠近气体入口的样品表面，有机分子在与离子束的相互作用下被分解。
研磨过程开始时，在铂条前面铣出一条大沟槽，后面再铣出一条小沟槽（图 1b）。通过CDEM检测器获取样品的二次电子图像 (SE) 来监测溅射过程的实际进展。完成大沟槽后，继续以较小的束流尺寸和离子电流（350pA）进行铣削。选择一个小的矩形区域，根据薄片的大小，在一定时间内从样品中溅射出材料。然后将图案移向金属薄片，重复这一过程，直到产生厚度约为 500 nm的金属薄片。
然后将样品相对于离子束倾斜约45°，并将薄片的两侧和底部剪开，只在薄片的顶部留下一条窄窄的铂条，以将其固定在需要进一步抛光的位置。将样品倾斜回原位后，继续用较小的离子束和较小的Ga离子电流（70 pA）进行研磨，直至达到最薄厚度。
溅射过程总是伴随着Ga离子注入样品表面，从而在薄片两侧产生非晶层。非晶层的厚度取决于材料、离子电流和入射角度。在上述操作条件下，两面的非晶层厚度约为5-15nm（Wirth，2004）。在薄片制备过程结束时，铂带被完全切穿，薄片准备好抬出（图 7c）。研磨过程完成后，样品从FIB设备中取出。
通常使用配备特殊机械手的光学显微镜（图 7c、d）将金属薄片从其挖掘部位抬出。尖锐的玻璃纤维尖端被连接到机械手上，在对纤维进行手动校准后，其尖端被移向金属薄片。用尖端接触薄片后，静电力会将薄片吸附在上面，然后将其从挖掘点抬起。最后，将薄片放到TEM铜网格上的膜上。必须用玻璃纤维软压在标准 TEM 铜栅的碳膜上，以确保粘合力使薄片保持在适当位置。在与碳膜接触良好的情况下，可以用合适的容器运输或装运薄片。经验表明，在将样品装入 TEM时，薄片绝不会脱落。
此时，FIB制备好的样品可直接插入TEM。在将样品插入TEM之前，没有必要对样品进行喷碳处理以实现导电性，这是根据使用超过1500块金属薄片的经验得出的结论。导电的物理原因可能是在样品表面注入了Ga离子，从而改变了材料的电子结构。
一般来说，FIB制备后的样品是干净的，由于电子束使吸附的碳氢化合物裂解而造成的TEM污染很低。如果样品在空气中存放了一段时间，表面污染可能是一个问题。可以在将试样座插入TEM 之前使用等离子清洁器清洁试样。等离子体（25%的氧气，75%的氩气）可使用长达30秒，而不会破坏覆盖标准TEM铜栅的碳膜。通常，清洁10秒钟就足够安全了。
6 FIB与SEM的结合
将离子柱与电子柱组装在一台仪器上，可获得一台集FIB与SEM所有功能于一体的仪器，称为FIB-SEM双束。双束还可以进行三维EBSD、三维横截面、三维成像和三维 EDX分析（图8）。电子束可用于成像，而不必担心溅射表面。离子研磨过程可通过SEM观察和控制，这使得溅射材料的精度更高，尤其是在最终研磨TEM 薄膜时，因为电子的溅射率非常低。
除了FIB的溅射功能外，还可以使用SEM的所有成像和分析功能，如SE、BSE、CL、EBSD和EDX。与STEM探测器组装在一起的，可在30kV电压下获取STEM图像；从而获得具有高空间分辨率的Z衬度图像，类似于低电压下的TEM。
三维成像和三维显微分析是FIB-SEM双束的重要特征，因为它们可以计算化学反应定量所需的单个相（如共晶体）的体积。在这种应用中，FIB会溅射出一个与表面法线平行的区域，用于成像和X射线显微分析。数据采集完成后，FIB 系统会切除另一小块材料，然后采集另一张图像（SE或BSE）并进行另一次X射线光谱分析。这种连续切片过程要重复多次，以便从选定的材料体积中收集数据。然后将一系列图像和光谱图像连接成一个数据集，从而获得探测体积的三维信息（Kotula，2006年）。
使用TEM进行高分辨率成像或EELS光谱分析需要尽可能薄的薄片（理想厚度为＜50 nm）。要在单束FIB中制备宽15-20 µm、高10 µm、厚度＜50 nm薄片几乎是不可能的（Wirth，2004），主要原因是，单束 FIB中成像的二次电子是在离子束与目标材料相互作用的过程中产生的，扫描离子束总是与溅射样品中的材料有关。双束系统可以利用SEM成像来解决这个问题，同时，原位取出技术比单束FIB取出技术更有优势，因为样品被固定在内部特殊的TEM 网格上，在取出过程中不会丢失（图9）。
另一个优点是，一旦样品被固定在栅格上，随后就可以在氩离子研磨系统中进行处理，以去除由镓离子注入造成的表面无定形层。氩离子研磨使用很小的入射角和较低的加速电压，以尽量减少氩离子注入样品表面造成的额外晶格损伤。额外的等离子清洗可进一步提高薄片的质量。
如果磁性样品能安全地焊接到TEM网格上，则也可以使用。否则，薄片会在 TEM的磁场中从栅格上脱落。焊接到支撑网格上的TEM薄片，在FIB/SEM 中研磨到30 nm的最终厚度，如图4所示。该薄片的厚度通过 EELS 得到确认。
7 FIB-SEM应用：原位抬出技术制备极薄的TEM薄片
原位抬出技术的原理是通过FIB/SEM设备内的机械手将薄片从其挖掘部位抬出，移向一个特殊的TEM 样品栅格并固定在该栅格上。
具体过程如下。第一步，在薄片前和薄片后分别溅射两把刻刀（图10a）。当薄膜厚度达到约500 nm 时，将其两侧和底部切割开来。切割时，薄片相对于离子束倾斜约45°。然后将固定在操纵器上的钨针尖移向金属薄片。钨尖接触薄片后，通过沿接触区沉积铂金来连接薄片（10a）。通过机械手将金属薄片从其挖掘部位抬出，转移到特制的TEM 网格上，并通过在金属薄片和网格之间沉积铂金将金属薄片固定到网格上（图11b-e）。将金属薄片固定在网格上后，利用离子束切断钨尖端与金属薄片的连接。
在随后的抛光步骤中，每一步都降低离子电流，最终厚度可达到约25-30nm。在最后的研磨步骤中，加速电压降至5keV，以尽量减少离子注入对表面的损伤。利用电子束控制溅射过程和进度，从而避免了成像过程中的严重溅射。最终厚度可通过TEM 中的 EELS光谱进行测量。
随后在等离子清洁器中对薄片进行处理，可得到非常洁净和薄的TEM试样，可用于HRTEM和EELS光谱分析。等离子体清洁薄片的主要优点是，在使用非常精细的探针（1 nm或更小）时，可大大减少TEM 和STEM 模式下的表面污染。
本文源自微信公众号：老千和他的朋友们
原文标题：《当FIB与TEM技术结合，能给科研带来什么？》
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