透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope, TEM）是使用最為廣泛的電子顯微鏡之一，和掃描電子顯微技術共同組成了電子顯微學的“兩大支柱”。TEM測試原理采用通過試樣電子成像并分析其結構，因電子穿透能力弱，試樣厚度，導電性，磁性及分散性等性質直接影響測試結果。是以，透射電鏡制樣比掃描電鏡制樣要複雜、精細得多，對不同材料應按其性質而采取适當方法。本文将對透射電鏡常見的各種制樣方法進行介紹與對比。
載樣工具介紹
TEM常用的載樣工具制成杆狀，稱樣品杆，針對不同的測試需求有不同的樣品杆（圖1），樣品搭載在支撐網（通常是銅網）裡并放在樣品杆前端，每個樣品杆最多隻能放1~2個銅網。采用樣品杆載樣具有載樣工具體積小，占用空間亦少，可布置于物鏡内上部，利于電鏡分辨率提高等優點。缺點是無法一次投入過多的樣品網，換樣時必須打破一次樣品室内真空，且效率低下。
圖1 TEM樣品杆 【圖檔來自網絡】
支撐網主要有超薄碳膜、微栅銅網、純碳膜、雙聯載網支援膜等，金屬支撐網的材質有多種，如Cu、Ni、Be、尼龍等，選擇時要注意選擇成分有别于待分析樣品的支撐網。
圖2 樣品杆尖端結構與支撐網種類
樣品要求
TEM的放大倍數高、觀測範圍有限、敏感度高，是以為了獲得清晰、準确、穩定的信号，對TEM的樣品要求也很高。
TEM的樣品種類分為粉末試樣、薄膜試樣、表面複型和萃取複型。
①粉末式樣：主要用于粉末材料的形貌觀察、顆粒度的測定及結構與成分分析等；
②薄膜試樣：樣品内部的組織、結構、成分、位錯組态和密度、相取向關系等；
③表面複型和萃取複型：金相組織觀察、斷口形貌、形變條紋、第二相形态、分布和結構等。一般而言，TEM的樣品要求如下：樣品一般應為厚度小于100 nm的固體；樣品在電鏡電磁場作用下不會被吸出，附于極靴上；樣品在高真空中能保持穩定；
④ 不含有水分或其它易揮發物，如果含有水分或其他易揮發物的試樣應先烘幹。
制樣方法
TEM具有制樣原則，即簡便，不損傷試樣表面，得到盡可能多的可觀察薄區。常見制樣方法按待測樣品性狀分為粉末制樣法與塊狀制樣法。
3.1粉末樣品的制樣方法
（1）溶液分散-滴落法樣品要求：對納米顆粒材料及其他樣品體積小或者微米顆粒樣品邊緣厚度薄、邊緣位置厚度低的情況下，可以采用溶液分散-滴落法直接制備TEM樣品。
圖3 銅網-支援膜結構
步驟一：針對樣品特性及測試要求，選擇了适宜的支援膜。支援膜為負載于銅網之間的膜，可供攜帶樣品。支援膜一般都要求有
①要有相當好的機械強度，耐高能電子轟擊；
②應在高倍下不顯示自身組織，本身顆粒度要小，以提高樣品分辨率；
③有較好的化學穩定性、導電性和導熱性。常用的支援膜主要有微栅膜、FIB微栅膜、純碳微栅膜、多孔碳膜、Quantifoil規則多孔膜、C-flat純碳多孔支援膜等。
支援膜的選擇标準如下表1所列。
表1 支援膜種類
除上表所示内容之外，還有一些特殊情況：
①用能譜分析銅元素時，不能選用銅載網，要選用鎳、钼等其他材質的載網膜；分析碳元素時，要用氮化矽膜。
②在做高分子、生物樣品切片後需要染色時要用裸網或微栅，因為染色劑通常會染方華膜。
③當負載某些二維方向尺度大的薄膜樣品，例如大面積石墨烯膜和有機膜時，若采用碳支援膜背底效應大，采用微栅膜低倍觀測時具有微栅孔結構，可以選擇目數大的裸網樣品，例如1000目和2000目銅裸網樣品。
步驟二：選擇分散劑。根據樣品性質選擇，通常采用無水乙醇。
步驟三：使用超音波或攪拌将粉末分散在分散劑中，制成懸浮液。注意：懸浮液中的粉末密度不宜過高。
步驟四：将樣品負載到支援膜上，有滴樣和撈取兩種方法。
滴樣：使用鑷子将覆寫有支援膜銅網夾緊，滴管滴入數滴懸浮液于支援膜表面并保持夾緊狀态直至晾幹；
撈取：用鑷子夾持載網浸入溶液撈取液滴，這種方法會在支援膜兩面都負載上樣品。
步驟五：待支援膜上的液滴充分幹燥後即可完成制樣，随後即可進行電鏡觀察。
（2）膠粉混合法試樣要求：一般用于磁性粉末樣品且觀察倍數不高的情況下。
步驟一：把火棉膠溶液滴入潔淨的玻璃片中，再往玻璃片的膠液中加入少量粉末，攪拌均勻後，把另外一片玻璃片壓緊，兩片玻璃片對研，驟然抽出，待膜片晾幹即可。
步驟二：用刀片将膜片劃成小方格，将玻璃片斜插入水杯中，在水面上下空插，膜片逐漸脫落。
步驟三：用銅網将方形膜撈出，即可用于TEM觀察。
3.2塊狀樣品的制樣方法
（1）樹脂包埋法試樣要求：對于大的塊體材料需要切割成小塊後進行後續的磨薄工藝；對微米量級的較大顆粒且經機械研磨粉碎損傷樣品以緻不能獲得理想樣品的情況下，此時可以嘗試采用包埋磨薄的方法制樣。
理想的包埋劑應具有：高強度，高溫穩定性，與多種溶劑和化學藥品不起反應。目前常用國産環氧樹脂618、Epon812環氧樹脂、及低黏度包埋Spurr。具體制樣步驟如下：
步驟1：将待觀察的樣品塊放入灌滿包埋劑的适當模具（如膠囊）中，恒溫箱内加溫固化。Spurr70℃烤箱内8h即可固化，國産樹脂618、Epon812環氧樹脂需37℃過夜，經45℃ 12h、60℃ 24h可固化。
圖4 石蠟包埋組織樣本 【圖檔來自網絡】
步驟2：出包埋固化的試樣，采用超薄切片機切片或者如下減薄方法使其在與電子束垂直的二維方向尺寸均在3 mm以下，就可以得到與透射電鏡試樣杆相容尺寸一緻的試樣。
步驟3：将擷取的樣品薄片分散于載網上，即可制得透射觀察所需要的樣品。包埋劑配制及使用過程中的注意事項：
① 所有容器及玻璃棒等應是清潔和幹燥的；
② 配制過程中應攪拌均勻，使用過程中應避免異物，特别是水、乙醇、丙酮等混入包埋劑；
③ 配制好的包埋劑應密封儲存，避免受潮。剩餘包埋劑可密封并儲存在-10 — -20℃冰箱中，延長其使用期。
（2）機械減薄法
圖5 機械減薄所用機器 【圖檔來自網絡】
步驟1：用砂紙手工研磨減薄樣品薄片平行于電子束方向的厚度，這一過程砂紙型号依次遞增，即砂紙顆粒度遞減，砂紙達到理想厚度時，由于砂紙引起的機械損傷刮痕最小。試樣厚度達5μm左右後，磨薄工藝停止；
步驟2：采用凹坑儀對試樣進行連續磨薄，直至達到1 μm厚；
步驟3：使用抛光機去掉表面的劃痕損傷；
步驟4：用離子減薄儀不斷地對試樣進行減薄，直到最後有一定區域的薄區和數十納米厚的試樣；
注：上述步驟2到4可以替換為使用磨抛機直接作出楔形樣品後，利用離子減薄獲得最終的樣品。
（3）超薄切片法超薄切片方法多用于生物組織、高分子和無機粉體材料等。相較于包埋後機械磨薄的方法，超薄切片方法可非常快捷地準确地擷取特定位置、特定取向、特定厚度的樣品。
試樣要求：對于觀察特定方向的試樣制備有其優點，但是不适用于延展性較強的試樣，如金屬，更适用于生物組織，高分子及無機粉體材料。
步驟1：将試樣包埋固定好，如果有具體晶體取向或者位置要求，包埋過程中需仔細放置試樣位置，使得最終所要觀測方向和切片機金剛石刀片互相垂直；
步驟2：選取特定步長（即樣品厚度）及切割速度，直接切出可供透射電鏡觀測的樣品。
注意事項：
操作要迅速：要在最短時間内完成取樣并迅速投入固定液。所取樣品體積不超過1 mm3。
操作要精細：輕輕操作，使用鋒利器械時避免拉、鋸、壓等暴力動作。低溫：在0～4℃内操作。
圖5 超薄切片機 【圖檔來自網絡】
（4）離子減薄法離子減薄通常用于己被機械減薄過的試樣的最終變薄。同時在清潔試樣表面的損傷層、非晶層和污染物層方面也得到了廣泛的應用。通常用于TEM制樣過程中最後一個環節，整個過程靠儀器來進行，相對簡單。
試樣要求：由于轟擊作用所帶來的試樣減薄是在比較微觀的水準上進行的，是以要求試樣自身己經減薄到非常薄時才會産生明顯的作用。離子減薄法不受材料電性能的影響，即不管材料是否導電，金屬或非金屬或者二者混合物，不管材料結構多複雜均可用此方法制備薄膜。
步驟1：将樣品制成薄片（<100 μm）。
步驟2：将樣品放入離子減薄儀，根據薄片厚度和TEM測試要求選擇合适的工作電壓（一般是kV量級）和工作電流（一般是mA量級）。對于試樣本身已經非常薄的薄片，這類離子減薄例如PIPS, Nano Mill和Ion Mill。另一類型減薄力度大，例如Ion Slicer等，可将100 μm厚試樣直接減薄，最後獲得可用于TEM觀察的試樣。
圖6 TEM mill精密離子減薄儀 【圖檔來自網絡】
（5）電解抛光減薄法電解抛光是靠電化學的作用使試樣磨面平整、光潔，具有操作簡單、快速、低成本等優點。一般處理大批量的電子背散射衍射（EBSD）試樣首選電解抛光。
試樣要求：儀器工作原理要求利用物質的電性能是以隻能在金屬樣品中使用。移到電解抛光儀上的試樣要求先磨抛粗細一緻，以免穿孔位置發生偏移，此外還應確定試樣幹淨。
圖7 電解雙噴減薄儀 【圖檔來自網絡】
步驟二：首先接通電源并将固定樣品置于電解液内，調節抛光電流達到額定值，邊攪拌邊充分降溫或升溫以維持電解液溫度處于額定值。在此步驟中應注意選用适當抛光劑，電源，陰極闆等。試樣連接配接正極，電解液連接配接負極，電解液由兩邊噴射到試樣上，陰極闆有豎直與L型之分，L型電極可增加電解抛光試樣的成功率。
步驟二：完成抛光操作，将試樣從電解液中移出，再切斷電源，然後要迅速在清水中沖洗，也可先沖洗然後用超音波清洗，去除樣品表面的電解液以免與樣品發生化學反應。
注意事項：抛光後的試樣不能太大，電流密度雖可調節，但運作經驗證明面積越小試樣成功率越大。不同材料的試樣電解抛光工藝不一樣，是以有必要綜合文獻并通過大量試驗摸索出适宜的抛光劑與抛光參數(如：試劑配方、抛光時間、溫度、電解液濃度、攪拌速度等）。
（6）聚焦離子束切割法聚焦離子束（Focused ion beam milling, FIB）掃描電鏡雙束系統是在SEM的基礎上增加了聚焦離子束鏡筒的雙束裝置，使用FIB-SEM切割薄片是擷取TEM樣品的一種最常用手段，是使用來源于液态金屬镓的離子束，通過調整束流強度，快速、精細地加工指定區域。FIB制樣普适性強，在制樣過程中能夠實作電子束-離子束雙束成像且易于定位切割，同時也能夠通過離子束對試樣進行直接轟擊減薄得到透射電鏡中能夠觀測到的試樣。
試樣要求：樣品大小5×5×1 cm，當樣品過大需切割取樣。樣品需導電，不導電樣品必須能噴金增加導電性，要保證噴塗的導電鍍層不會影響觀察區域。切割深度必須小于10 μm。
步驟1：将樣品制樣後放入FIB-SEM當中。
步驟2：在FIB-SEM中進行薄片切割和減薄。
步驟3：取薄片樣品根據需要減薄表面離子，然後轉TEM觀察。
（7）複型技術複型技術是用對電子束透明的薄膜（碳、塑膠、氧化物薄膜）把材料表面或斷口的形貌複制下來的一種間接樣品制備方法。複型法分為塑膠一級複型、碳一級複型、塑膠-碳二級複型、萃取複型等。
試樣要求：适合電鏡下容易起變的試樣，也可用于不易成膜的試樣。要求試樣呈非晶态，分子尺寸較小，導電性好，導熱性好，耐轟擊并具有足夠的強度與剛度。
圖9 塑膠複型和碳複型原理
① 塑膠一級複型
操作步驟：将特定溶液（火棉膠醋酸戊酯或醋酸纖維素丙酮溶液）滴在試樣上，溶液在試樣表面展平，多餘部分用濾紙吸出，溶劑揮發後試樣表面留下一層100 nm左右的塑膠薄膜。
試樣要求：相對于試樣表面來講，是一種負複型，即複型與試樣表面的浮雕相反。
② 碳一級複型
操作步驟：使用真空鍍膜裝置在樣品表面蒸鍍一層碳膜，樣品放入真空鍍膜裝置中，把樣品放入配好的分離液中進行電解或化學分離後分離出的碳膜即可用于分析。碳膜一級複型是一種正複型，它與塑膠一級複型的差別是：碳膜複型的厚度基本上相同，而塑膠複型的厚度随試樣位置而異。塑膠複型不破壞樣品；而碳膜複型破壞樣品（分離膜與樣品時要電解腐蝕樣品）。塑膠複型因塑膠分子較大，分辨率低（10-20 nm)；碳離子直徑小，碳膜複型分辨率高(2 nm)。
③ 塑膠-碳二級複型
操作步驟：簡單的說，是将碳複型重新制造到塑膠的一級複型中，然後将一級複型溶解掉即為二級複型。為提高襯度，可向傾斜15-45绠方向噴施Cr和Au重金屬。
技術特點：在配制複型過程中不會對試樣原始表面造成損傷，最後複型帶重金屬投影；不會對試樣造成損傷，耐電子束輻照，襯度大，具有良好的穩定性和導熱電性；分辨率不高，相當于一級塑膠的複型；膜厚度較薄。
圖10 二級複型原理圖
④ 萃取複型
圖11 萃取複型原理圖
試樣要求：用于對第二相粒子形狀、大小和分布以及物相和晶體結構進行分析。
步驟1：将存在第二相析出相的樣品深腐蝕，以使第二相裸露出來。
步驟2：在樣品上鍍上一層碳膜。
步驟3：用電解腐蝕的方法，除去樣品基體，得到的就是隻有碳膜和第二相粒子的萃取複型樣品。
技術特點：從萃取樣品中可以觀察到第二相顆粒尺寸，形狀，分布和晶體結構分析等特征，同時還可以觀察到樣品基體的組織形态。
表2 不同複型方法的優缺點比較