鎂及其合金材料超薄切片制備

(1.首都醫(yī)科大學(xué)，北京 100069；2.北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871；3.天津理工大學(xué)，天津 300222；4.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300160；5.Leica中國(guó),上海 200335)

透射電鏡(TEM)分析是材料樣品形貌表征、結(jié)構(gòu)解析的重要方法，而制備出滿(mǎn)足TEM觀察要求的超薄樣品是決定著整個(gè)研究成敗的關(guān)鍵。材料樣品個(gè)體屬性差異較大，制樣方法也不盡相同。對(duì)于金屬材料，制備可供高分辨TEM觀察的金屬薄片樣品的方法有多種選擇，如超薄切片、機(jī)械減薄、離子減薄、聚焦離子束(FIB)、化學(xué)減薄、電解雙噴等[1-3]。但是，各種減薄技術(shù)均有其自身局限性，如引入污染，局部高溫導(dǎo)致樣品損傷，形成假象，引起離子注入，耗時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題[4-6]，可以說(shuō)沒(méi)有哪種制樣方法適用于所有金屬。近年來(lái)，隨著鎂及其合金在醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域作為移植材料得到廣泛應(yīng)用[7,8]，研究者對(duì)鎂及其合金超微結(jié)構(gòu)的觀察要求逐漸提高。由于金屬鎂性質(zhì)活潑，質(zhì)地較軟，制樣過(guò)程中的不當(dāng)處理可能導(dǎo)致樣品發(fā)生變化，影響結(jié)果的觀察和研究。為避免各種減薄技術(shù)的弊端，本實(shí)驗(yàn)室使用超薄切片技術(shù)制備可供高分辨透射電鏡觀察和分析的鎂及其合金超薄切片。

超薄切片技術(shù)是透射電鏡(TEM)樣品制備的重要方法，具有制樣過(guò)程快速高效，無(wú)污染，可觀察薄區(qū)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)的超薄切片制備采用濕切的方法，即切片刀帶有水槽，可在水槽中收集超薄切片。這種方法有突出的優(yōu)點(diǎn)，一方面超薄切片會(huì)借助水的表面張力作用展開(kāi)，切片平整并可以連接成帶，漂浮在水面上，此時(shí)可以根據(jù)干涉色判斷切片厚度，切片完成后，選擇完整且厚度適當(dāng)?shù)某∏衅勉~網(wǎng)直接撈取或沾取。此種方法容易操作，適用于大多數(shù)超薄切片樣品[9-11]。但是，鎂及其合金樣品，很容易與水發(fā)生反應(yīng)，應(yīng)避免采用濕切法[12]。

本實(shí)驗(yàn)室采用干切法進(jìn)行鎂及其合金超薄樣品制備，下面將切片方法做一介紹。

1 材料特點(diǎn)與制樣要求

金屬鎂(Mg)、鎂鋅合金(MgZn2)、鎂鈣合金(MgCa2)樣品，呈規(guī)則的長(zhǎng)方體，表面清潔干凈，硬度適中。樣品性質(zhì)活潑，其中合金中Mg的原子百分比大于90%，易與水發(fā)生反應(yīng)，在水中形成氫氧化鎂Mg(OH)2，也易與空氣中的氧氣、二氧化碳發(fā)生反應(yīng)[13]。尤其是超薄切片厚度在100nm以?xún)?nèi)[14]，更易發(fā)生氧化，因此對(duì)鎂及其合金樣品進(jìn)行TEM超薄切片制備,要求避免與水接觸，盡量縮短超薄切片在潮濕空氣中暴露時(shí)間，避免樣品表面發(fā)生氧化。

2 超薄切片制備

在超薄切片制作前，進(jìn)行常規(guī)修塊。首先在LEICA EM UC6體視顯微鏡下對(duì)樣品進(jìn)行觀察，尋找平整、適合切片的面，選擇切片機(jī)自動(dòng)修塊兒模式(速度100mm/s,步長(zhǎng)500nm)，使用修塊兒刀將其修成規(guī)則的小四棱臺(tái)型(如圖1A)。切面越小，獲得的超薄切片厚度越薄[10]。本實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了切面大小對(duì)超薄切片厚度的影響這一問(wèn)題，分別對(duì)約0.2mm×0.2mm的切面和2mm×2mm切面做了超薄切片。

對(duì)于形狀比較規(guī)則、棱角分明的樣品，可以將樣品大部分夾持在樣品夾具內(nèi)，只留一個(gè)很小的尖角部位供切片。僅需用修塊兒刀對(duì)尖角稍加修整，即可出現(xiàn)一個(gè)小三角形或梯形平面，可以用來(lái)切超薄切片。

修塊兒后，換切片刀進(jìn)行超薄切片制作。由于上述金屬材料硬度適中，可以使用新制的玻璃刀對(duì)其進(jìn)行超薄切片制備，也可以使用鉆石刀切片。經(jīng)過(guò)常規(guī)對(duì)刀后，對(duì)超薄切片機(jī)設(shè)置自動(dòng)切片模式，切片速度設(shè)置為較快的速度可以獲得較薄的切片[10]。如使用玻璃刀，切片速度可以設(shè)置為50～100mm/s,切片厚度設(shè)置50nm。如果使用鉆石刀，可以設(shè)置更快的切片速度，如100mm/s，切片厚度可以設(shè)置為15nm。開(kāi)始自動(dòng)切片后，在超薄切片機(jī)體視顯微鏡中觀察切片情況。

對(duì)于梯形的切面，超薄切片一般難以形成較長(zhǎng)切片帶，易發(fā)生向上卷曲，或者切片發(fā)生碎裂，堆疊在刀鋒處。小三角形切面，可見(jiàn)超薄切片大多卷曲堆疊在刀鋒處。當(dāng)超薄切片積累較多時(shí)，左手用顯微鑷夾持微柵銅網(wǎng)，放置在切片附近，右手持睫毛筆挑起卷曲、堆疊的超薄切片放置于銅網(wǎng)上，并用睫毛筆輕輕在銅網(wǎng)上涂抹幾次，使堆疊聚集的切片均勻分布于銅網(wǎng)上，細(xì)小的金屬薄片通過(guò)靜電作用可以比較牢固的吸附在銅網(wǎng)膜上。

3 樣品的保存

鑒于超薄切片多在50nm以?xún)?nèi)，在一般環(huán)境中容易發(fā)生氧化或和空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，故超薄切片完成后應(yīng)盡快上透射電鏡進(jìn)行觀察，或有條件的實(shí)驗(yàn)室可放入真空箱保存[3]。

4 結(jié)果觀察

超薄切片完成后，在金相顯微鏡上對(duì)其進(jìn)行觀察。在顯微鏡下，可見(jiàn)比較完整的超薄切片附著在銅網(wǎng)上，或者可見(jiàn)一些碎片比較均勻的分布在銅網(wǎng)上如圖1(A) 、圖1(B)所示。

使用日本電子生產(chǎn)的透射電鏡JEM-2100F，在加速電壓200keV下觀察超薄切片發(fā)現(xiàn)，銅網(wǎng)上有較多超薄切片的碎片，切面較大的樣品制得的超薄切片較厚，切面較小的超薄切片較薄(圖2)。

圖1 光鏡下觀察超薄切片(A)光鏡下觀察超薄切片在銅網(wǎng)上的分布情況；(B)半透明的較薄切片

圖2 電鏡低倍下觀察超薄切片厚度(A)切面較大的超薄切片厚度較厚；(B)切面較小的超薄切片厚度較薄。

對(duì)較薄的超薄切片進(jìn)行高分辨觀察和拍攝高分辨圖像，晶格顯示清晰可見(jiàn)。用GATAN圖像分析軟件測(cè)量晶格間距，計(jì)算d值，與金屬鎂(100)面相符，如圖3所示。

圖3 高分辨電鏡下觀察超薄切片(A).低倍下觀察；(B).高分辨相，晶格清晰可見(jiàn)；(C).對(duì)晶格間距進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，d=0.287nm，與金屬M(fèi)g (100)面相符合。

5 討論

超薄切片技術(shù)作為一種常見(jiàn)的透射電鏡制樣技術(shù)，在材料科學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于鎂及其合金材料，超薄切片無(wú)疑是一種快速、無(wú)污染的透射電鏡制樣手段。本實(shí)驗(yàn)室采用干切法對(duì)Mg金屬及其合金進(jìn)行超薄樣品制備。在超薄切片過(guò)程中注意樣品切片要盡可能小，在切片速度較快的情況下可以用玻璃刀制備出可以供透射電鏡觀察的超薄切片。超薄切片在制作過(guò)程中可能發(fā)生卷曲、碎裂等問(wèn)題，但都不影響高分辨電鏡的觀察。TEM觀察結(jié)果證實(shí)，用該方法制備的超薄切片足以滿(mǎn)足高分辨像的拍攝要求和研究需要。

在常規(guī)超薄切片制備過(guò)程中可以借助切片在水槽中的干涉色來(lái)判斷厚度，干切法不能對(duì)切片的厚度進(jìn)行判斷，所以切片過(guò)程中應(yīng)注意選用比較鋒利的切片刀。如果使用玻璃刀，要選擇刀口平直、鋒利的玻璃刀，盡可能在制備超薄切片前1-2小時(shí)制作新刀[14]，以確保切片厚度盡可能薄。對(duì)于較為活潑的金屬樣品，超薄切片制備完成后盡快上機(jī)觀察，或者在真空環(huán)境下妥善保存，以保證獲得可靠的研究數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)室采用干切法對(duì)活潑金屬M(fèi)g及其合金制備了滿(mǎn)足高分辨TEM觀察的超薄切片，為此類(lèi)金屬樣品超薄切片的制備方法提供了參考。

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