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球差制样的“筛样”环节，为何要先用普通TEM看一眼？

来源：时间：2026-10-21 14:32:59 浏览：613次

球差校正透射电子显微镜的标称分辨率已经推进到50 pm以下，但这个数字有个前提：样品本身得够格。球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）通常要求薄片厚度低于50 nm，且表面无损伤[1]。如果要做环形明场、微分相位衬度、积分微分相位衬度（iDPC）或高能量分辨的电子能量损失谱（EELS）成像，要求更苛刻，薄片厚度往往要到10 nm量级[1]。仪器性能表上的分辨率，只对合格的样品生效。

于是问题变成：把样品送上球差电镜之前，怎么知道它是不是合格的？这一步就是筛样，也是测试狗要讲的事。

FIB制样：每一步都在给样品扣分

主流的球差样品制备路线是聚焦离子束（FIB）。标准流程分三步：粗铣、提取、终薄[1]。先在大块材料上铣出薄片块体，用原位机械手转移到透射电子显微镜（TEM）载网上，再逐步减薄到几十纳米。流程听上去干净，实际每一步都在给样品引入损伤。

损伤的量化已有系统研究。以Ga+FIB加工硅为例：30 keV铣削产生的表面非晶层厚约22 nm；加速电压降到8 keV、5 keV、2 keV，非晶层厚度分别降到约7 nm、4 nm、1 nm[4]。Ga在表面以下约12 nm深度内的注入浓度为0.5-2.0 at%[4]。还要注意，FIB损伤不止非晶化一项。非晶层下方的晶体区域里存在一层晶体畸变区，在低角环形暗场STEM（LAADF-STEM）图像中表现为更亮的衬度，但该区并没有Ga浓度升高，它来自Ga注入造成的原子位移和空位[4]。只有把非晶层和畸变层合在一起算总损伤厚度，实验值才和SRIM模拟（离子阻止与射程模拟）给出的Ga注入深度吻合[4]。

文献里的原话是：不了解FIB损伤，TEM制样就是摸黑走路[4]。

GaN、InP、GaAs在不同FIB加速电压下的截面LAADF-STEM像与非晶层厚度统计。来源：文献[4]

材料之间的差别很大。30 keV下，硅的总损伤层中非晶层约占75%，GaN只占13%，InP和GaAs分别约67%和68%[4]。换离子源是另一条路：Xe+等离子体FIB的材料去除率约为Ga+FIB的六倍，损伤也更轻。在CrMnFeCoNi高熵合金上，Xe+产生的非晶层约3.9 nm，Ga+约4.6 nm；SRIM模拟的损伤深度在正入射时Xe+约25 nm、Ga+约38 nm，87.8度掠入射时分别约13 nm和20 nm[3]。

Ga+注入还会改变材料本身的力学行为：注入的Ga对位错有锁定作用并降低层错能，变形后的样品中出现平均间距仅4.3 nm的纳米孪晶，强度和塑性都与Xe+制样的样品拉开差距[3]。

筛样到底筛什么

第一项是厚度。50 nm是球差成像的入场线，部分先进成像模式要求10 nm[1]。

这里有个容易踩的坑：FIB工艺参数里的目标厚度是名义值，指两个铣削窗口的间距减去束斑尺寸，不等于实际厚度，实际厚度要靠偏置参数校准[1]。可信的厚度来自EELS厚度mapping。文献中三片机器人制备的硅薄片，底边附近的厚度都落在40-50 nm，片间差异仅约10 nm，锥度约1度[1]。这个均匀性就是筛样要确认的对象。

三片机器人FIB制备硅薄片的EELS厚度mapping与厚度轮廓，底边附近厚度40-50 nm，片间差异约10 nm。来源：文献[1]

第二项是晶体性。薄片薄了不等于结构还在。那篇机器人FIB工作在优化2 kV终薄的过倾角时，没有直接上球差电镜，而是给每片样品算一个晶体图像得分：把原子级STEM图像拆成周期性部分和其余部分，求晶体部分的占比，0对应完全非晶，1对应完美晶体[1]。靠这个得分，最优过倾角从以往报道的5-7度收窄到1.6度，Ga注入更少，从保护层到薄片底边的厚度梯度也更小[1]。

过倾角示意（a）与2 kV终薄时晶体图像得分随过倾角的变化（b），1.6度得分最高。来源：文献[1]

第三项是损伤层。可行的做法是截面LAADF-STEM观察加纳米束电子衍射，再加STEM-EDS（X射线能谱）成分线扫描，三者合用才能把非晶层和畸变层分开计数[4]。这类损伤评估文献里用的是200 keV的Titan G2 80-200，不是球差电镜[4]。

第四项是一个判断：样品是不是只有一份。FIB提取法有个固有缺点，一颗微米级颗粒通常只能做出一片TEM薄片[8]。遇到不可复制的样品，例如从陨石里挑出的前太阳系石墨颗粒，文献的做法是先用FIB把颗粒转移固定到树脂柱上，再用超薄切片机连续切出多片约70 nm厚的切片[8]。样品有限时，筛样的意义不是省机时，是决定这个课题还能不能做下去。

还有一项容易被漏掉：支撑膜。传统非晶碳膜有不可忽视的背景噪声，还会在辐照下放大样品漂移；超净石墨烯支撑膜的背景噪声可忽略，60 kV下对石墨烯本身成像可达1.07 Å，蛋白分子在束流下的位移也明显减小[2]。

为什么这一眼要用普通TEM

最值得参考的做法来自机器人FIB那篇工作，他们把仪器分工写在了方法部分：优化FIB参数阶段用的是常规STEM（Talos F200X，200 kV，束流50 pA，汇聚角10.5 mrad，HAADF收集角28-169 mrad，规格分辨率160 pm）；参数定型后的验证才用球差校正STEM（Spectra 300 X-CFEG，300 kV，规格分辨率50 pm）[1]。最终三片硅薄片都给出55 pm的原子级图像，SrTiO3和蓝宝石薄片分别达到67 pm和64 pm[1]。

常规STEM筛选确认工艺后，球差校正STEM对三片硅薄片均实现55 pm分辨率。来源：文献[1]

160 pm分辨率的常规电镜当然看不到55 pm的细节，但它足够回答筛样真正要问的问题：厚度够不够、晶体还在不在、损伤层压到了多薄。这些都是是非题，不需要亚埃级分辨率。类似的分工在别的研究里也能看到：高熵合金的微观结构表征用的是200 keV的JEOL 2100[3]，陨石切片的晶体学观察用的是200 kV的Talos F200X和JEM 2100[8]。

再算一笔时间账。机器人FIB制备一片薄片的周期约50-80分钟（硅50分钟、SrTiO3 60分钟、蓝宝石80分钟），成功率95-100%[1]；手动制样的周期是它的数倍，质量还依赖操作者经验[1]。把每一次工艺摸索都压在球差机时上，等于用最稀缺的资源做信息密度最低的事。

看一眼本身也在消耗样品

电子束不是免费的。对束敏感材料，损伤可能在聚焦过程中就已经发生[5]。金属有机框架（MOF）在STEM模式下的电子剂量阈值低于100 e−/Å²[5]；具体到材料，MIL-101(Cr)能承受约16 e−/Å²，UiO-66(Zr)的高阶衍射斑点在约17 e−/Å²时开始衰减，ZIF-8(Zn)在约25 e−/Å²时已失去结晶性[6]。早前一项对MOF做电子叠层成像（electron ptychography）的研究用了超过800 e−/Å²的剂量，材料结构部分降解，分辨率只做到4.8 Å[5]。

筛样时用得慢也不一定更安全。UiO-66(Hf)的临界剂量随剂量率变化，剂量率从0.2升到2.0 e−/Å²·s，临界剂量从81.7掉到20.5 e−/Å²[6]。原因是这类材料的辐解损伤存在可逆的自修复过程，低剂量率下修复追得上破坏，高剂量率下追不上[6]。对这类材料，筛样要压低剂量率、拉长单帧时间，而不是追求快速扫完。

UiO-66(Hf)在连续电子剂量下的低剂量高分辨TEM序列，特定位点有机配体脱离（ligand knockout）及结构模型对照。来源：文献[6]

另一条物理线指向相反方向。在30 keV及以下的STEM-in-SEM条件下，碳污染厚度不只取决于总剂量，还取决于施加这份剂量所用的时间：总剂量相同，高电流短时间的污染更少，低电流长时间的污染更多[7]。碳污染会覆盖目标结构、降低分辨率，在薄片两侧同时生长，严重时带来荷电问题并干扰EDS和EELS分析[7]。缓解手段里等离子体清洗和束浴最有效，但等离子体清洗即使用超过一小时也无法完全清除碳膜上的污染物[7]。

不同电子能量下碳污染厚度随照射时间的增长曲线。来源：文献[7]

两条结论放在一起，筛样条件没法一刀切：主导矛盾是辐解损伤的材料，压低剂量率；主导矛盾是碳污染的场景，缩短照射时间并提高剂量率，成像前先做等离子体清洗。先确认样品的主要失效模式，再定筛样条件。

厚度和剂量预算还会打架。文献中Zr-BTB晶体观察区的厚度约40 nm，这个厚度下常规低剂量STEM（如iDPC）已经达不到电子叠层成像的分辨率；对已报道的MOF低剂量iDPC成像案例的模拟显示，样品厚度可能要低于20 nm[5]。束越敏感的材料越要求薄，越薄的样品越经不起粗放的筛样，这正是低剂量筛样协议需要单独设计的原因。

把筛样做成标准动作

文献的做法可以归纳为四步。

制样参数数字化：机器人FIB把材料、保护层、目标厚度、过倾角等知识存成数字化工艺包，可复用、可共享[1]。

损伤预算前置：按材料和加速电压预估非晶层加畸变层的总厚度，SRIM模拟可以给出有用的预测[4]。

常规电镜分级验收：先用200 kV常规电镜确认厚度、晶体性和损伤层，再决定哪些薄片值得占球差机时[1]。

束敏感样品单列协议：先做电子衍射剂量序列测临界剂量，筛样的累计剂量必须远低于它，剂量率按样品的主导损伤机制来定[6]。

测试狗能提供什么

如果课题卡在制出来但拍不出，测试狗可以提供从制样到分级表征的完整链路：FIB制样与工艺优化、200 kV常规TEM下的厚度与损伤层评估（EELS测厚、衍衬分析）、球差校正(S)TEM的原子级成像与EDS、EELS分析。束敏感样品可以先做低剂量评估，再排成像方案。把哪片样品值得上球差这个判断交给流程，而不是交给运气。

*文中配图均来自公开文献，仅作技术效果示意。

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参考文献

[1]Tsurusawa H, Nakanishi N, Kawano K, Chen Y, Dutka M, Van Leer B, Mizoguchi T. Robotic fabrication of high-quality lamellae for aberration-corrected transmission electron microscopy. Scientific Reports, 2021, 11: 21599. DOI: 10.1038/s41598-021-00595-x

[2]Zheng L, Chen Y, Li N, et al. Robust ultraclean atomically thin membranes for atomic-resolution electron microscopy. Nature Communications, 2020, 11: 541. DOI: 10.1038/s41467-020-14359-0

[3]Liu J, Niu R, Gu J, Cabral M, Song M, Liao X. Effect of ion irradiation introduced by focused ion-beam milling on the mechanical behaviour of sub-micron-sized samples. Scientific Reports, 2020, 10: 10324. DOI: 10.1038/s41598-020-66564-y

[4]Uzuhashi J, Ohkubo T. Systematic study of FIB-induced damage for the high-quality TEM sample preparation. Ultramicroscopy, 2024, 262: 113980. DOI: 10.1016/j.ultramic.2024.113980

[5]Li G, Xu M, Tang W-Q, et al. Atomically resolved imaging of radiation-sensitive metal-organic frameworks via electron ptychography. Nature Communications, 2025, 16: 914. DOI: 10.1038/s41467-025-56215-z

[6]Xu X, Xia L, Zheng C, et al. Unravelling nonclassical beam damage mechanisms in metal-organic frameworks by low-dose electron microscopy. Nature Communications, 2025, 16: 261. DOI: 10.1038/s41467-024-55632-w

[7]Hugenschmidt M, Adrion K, Marx A, Müller E, Gerthsen D. Electron-beam-induced carbon contamination in STEM-in-SEM: Quantification and mitigation. Microscopy and Microanalysis, 2023, 29: 219-234. DOI: 10.1093/micmic/ozac003

[8]Xu Y, Gu L, Li Y, Mo B, Lin Y. Combination of focused ion beam (FIB) and microtome by ultrathin slice preparation for transmission electron microscopy (TEM) observation. Earth, Planets and Space, 2018, 70: 150. DOI: 10.1186/s40623-018-0920-7

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