FIB+SEM/TEM：能量是超乎想象的！

为了充分认识材料“结构--成分--性质”三要素间的关系，科学界已开发出多种成像及组分分析技术，其中SEM及TEM是表征该领域的常用仪器。SEM可以分析材料表面结构形貌及成分组成，但不能得到材料内部信息；TEM虽能分析反映试样内表面信息薄膜试样的形貌，组成与结构，但其前提条件是必须制备包含待分析区域超薄试样，并且常规电镜样品的制备方法很难满足纳米材料表征在特定部位，特定取向上严格的制样要求。与之相比，聚焦离子束（focused ion beam，FIB）作为一种超精细样品制备技术，可对金属、合金、陶瓷、矿物、玻璃和有机材料等进行加工，制得宽10~20 μm宽、10~15 μm高、100~150 nm厚度的薄片。

基于此，FIB既能对纳米材料的指定位置进行截面处理，从而对内部结构进行SEM形貌分析，又能高效制备指定位置的TEM样品，是联系SEM和TEM之间的桥梁。近年来，受现代加工技术小型化发展趋势的影响，FIB技术日益被广泛应用到不同领域微纳结构的制造当中，并已成为微纳加工技术无法取代的最主要工艺之一。

FIB的技术原理

FIB基本原理是利用加速重离子对目标材料进行轰击，从而将原子溅射出。溅射过程是否高效主要取决于离子源，它必须具备下列两方面的条件

（1）在给定的加速电压下（通常为30 keV），使用重离子以使动量传递达到最大化；

（2）离子源原料的熔点和蒸气压都应很低。镓（Ga）作为低熔点金属，熔点仅为29.8°C，能较好的满足上述两点，故认为Ga金属是常规的离子源。

FIB作业时，当固体Ga加热到熔点时，液体Ga在表面张力的作用下流向探针针尖使钨针湿润。当施加强电场于钨尖端时，液态Ga会形成一个直径大约为2~5 nm，尖端处电场强度高达1010 V/m。在如此高的电场下，液尖表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，从而产生Ga+离子束流（图1）。

Ga+与目标材料的相互作用

Ga+作为带电粒子，其和电子一样与目标材料接触时会发生一系列相互作用。当Ga+离子与目标材料中原子的原子核碰撞时，会把部分能量传递给原子，使原子移位或完全脱离固体材料表面，这一现象就是溅射，FIB加工中的刻蚀功能就是依靠这一原理实现的。此外，入射的Ga+也可能通过级联碰撞释放其动能，并在目标材料表面以下一定距离保持静止，这一过程被称为离子注入。入射Ga+与目标材料的非弹性散射产可生二次电子、声子、等离子激元和X射线。二次电子被用于成像，特别是在单束FIB仪器中，可通过连续dynode电子倍增器（CDEM）探测器收集电子。

FIB-SEM联用系统

离子柱与电子柱装配到同一仪器上，便构成了FIB与SEM全部功能的集合体，俗称聚焦离子束显微镜或双束电镜，它的主要功能分两部分：

（1）FIB的刻蚀和沉积，可用于材料微加工、TEM样品制备、金属沉积。

（2）微区成分形貌分析，兼容常规SEM的二次电子成像、背散射成像、EBSD、EDX分析等，并且双束电镜可在30 kV电压进行透射电子成像，可形成具有高空间分辨率的Z-对比度图像。

此外，如图2所示，双束电镜还可进行3D电子背散射衍射、3D横断面、3D成像和3D EDX分析。

FIB-TEM联用系统

由于TEM样品需要非常薄，电子才可以穿透，形成衍射图像。FIB的高效溅射可实现对样品的精细加工，因此FIB常用于TEM超薄样品的制备优化上。图3为FIB加工制备TEM超薄样品的过程。如图3（a，b）所示，先在所关心的试样表面上做一个记号，注明需要裁剪的地方，沉积Pt。铣削工艺开始时，在铂带前面铣削一个大沟槽，在后面铣削一个较小的沟槽。

通过利用CDEM检测器获得试样的二次电子图像，对溅射过程进行了真实进度监测。在大尺寸沟槽加工结束后继续铣削并且降低光束尺寸及离子电流。选取小矩形区域按箔的大小溅射试样一定时间。再移动图案，重复上述步骤直至生成厚度为500nm左右箔。

然后将样品相对离子束倾斜约45°，继续铣削到铝箔的两侧和底部进行切割，只在铝箔的顶部留下一条窄的Pt条进行固定和进一步打磨。再将样品倾斜回其原始位置后，继续使用较小的光束进行铣削并减小电流，直到达到最终厚度。在完成铣削后，Pt带被完全切开（图3c），再配合机械手可将样品薄片安置在TEM铜栅的穿孔膜上。

FIB-TEM联用系统

TEM样品制备优化

如上所述，制备TEM样品是FIB的一个极具特色的重要应用。与传统TEM样品制备方法相比，FIB制样方法具有以下特点：

①定点、定向精度高。定位精度小于0.5 μm 时，为唯一方法；

②几乎不用样品准备；

③制样时间短；

④制样成功率高；

⑤对加工材料不敏感，对带孔的、脆的、软/硬结合材料（如软 Polymer /金属）也可实现制样；

⑥可以分析同一物料不同部位的性质。

3D SEM成像

在矿物生成反应研究中，相位大小与光学显微镜检测限相近或更低，不能得到足够的资料来正确地阐明反应机制。但是，矿物反应研究不仅要确定相结构及化学成分，而且要得到不同相分布，形态及体积量的三维资料。利用FIB-SEM的逐层切片刻蚀和图像采集形成3D成像可以很好地实现这个目的（如图4）。

3D EBSD

EBSD是测量样品中单个颗粒的纹理、粒度和晶粒取向的强大工具，利用EBSD可以生成相位识别和相位分布图。FIB与装有EBSD检测器SEM结合后，可以实现三维样品晶粒取向测量。见图5，先用FIB铣削试样上的沟槽，对其表面进行清理，使其表面法线和试样表面法线方向一致，并保存EBSD。随后连续刻蚀样品并逐层保存EBSD，即可获得3D EBSD图像。

3D元素分布图

与3D SEM 和3D EBSD类似，利用FIB和SEM或者TEM进行结合，通过逐层刻蚀和EDX元素采集，同样可以创建3D元素分布图（图6），其检测限为配备的EDX的检测限。

FIB 微加工

1、微纳结构的直接成型加工。直接刻蚀成形加工技术是FIB系统中最为常见的一种工作方式，而FIB加工在原理上对待加工材料没有选择性，可以实现各个加工点的深度控制。

2、材料沉积加工。应用FIB-SEM系统的材料沉积功能可制作纳米材料的测量电极，如图7所示，碳纳米管随机分散在4根8 μm宽微电极中，采用系统的Pt沉积功能，将4根微电极逐段延伸，精确覆盖在碳纳米管上，以用于碳纳米管的电学性能测量。

3、指定点加工。FIB系统能灵活对样品指定点加工，比如对扫描探针显微镜SPM（如 AFM、STM）的针尖进行修饰。图8给出了AFM针尖修饰前后的照片。不论针尖是Si或SiO2或其他材料都可得到类似的效果。改造后的AFM针尖可应用于某些特殊情况下，例如扎在生物细胞中检测。