镁及其合金材料超薄切片制备

(1.首都医科大学，北京 100069；2.北京大学化学与分子工程学院，北京 100871；3.天津理工大学，天津 300222；4.天津工业大学，天津 300160；5.Leica中国,上海 200335)

透射电镜(TEM)分析是材料样品形貌表征、结构解析的重要方法，而制备出满足TEM观察要求的超薄样品是决定着整个研究成败的关键。材料样品个体属性差异较大，制样方法也不尽相同。对于金属材料，制备可供高分辨TEM观察的金属薄片样品的方法有多种选择，如超薄切片、机械减薄、离子减薄、聚焦离子束(FIB)、化学减薄、电解双喷等[1-3]。但是，各种减薄技术均有其自身局限性，如引入污染，局部高温导致样品损伤，形成假象，引起离子注入，耗时较长等问题[4-6]，可以说没有哪种制样方法适用于所有金属。近年来，随着镁及其合金在医学生物领域作为移植材料得到广泛应用[7,8]，研究者对镁及其合金超微结构的观察要求逐渐提高。由于金属镁性质活泼，质地较软，制样过程中的不当处理可能导致样品发生变化，影响结果的观察和研究。为避免各种减薄技术的弊端，本实验室使用超薄切片技术制备可供高分辨透射电镜观察和分析的镁及其合金超薄切片。

超薄切片技术是透射电镜(TEM)样品制备的重要方法，具有制样过程快速高效，无污染，可观察薄区范围广等优点。常规的超薄切片制备采用湿切的方法，即切片刀带有水槽，可在水槽中收集超薄切片。这种方法有突出的优点，一方面超薄切片会借助水的表面张力作用展开，切片平整并可以连接成带，漂浮在水面上，此时可以根据干涉色判断切片厚度，切片完成后，选择完整且厚度适当的超薄切片，用铜网直接捞取或沾取。此种方法容易操作，适用于大多数超薄切片样品[9-11]。但是，镁及其合金样品，很容易与水发生反应，应避免采用湿切法[12]。

本实验室采用干切法进行镁及其合金超薄样品制备，下面将切片方法做一介绍。

1 材料特点与制样要求

金属镁(Mg)、镁锌合金(MgZn2)、镁钙合金(MgCa2)样品，呈规则的长方体，表面清洁干净，硬度适中。样品性质活泼，其中合金中Mg的原子百分比大于90%，易与水发生反应，在水中形成氢氧化镁Mg(OH)2，也易与空气中的氧气、二氧化碳发生反应[13]。尤其是超薄切片厚度在100nm以内[14]，更易发生氧化，因此对镁及其合金样品进行TEM超薄切片制备,要求避免与水接触，尽量缩短超薄切片在潮湿空气中暴露时间，避免样品表面发生氧化。

2 超薄切片制备

在超薄切片制作前，进行常规修块。首先在LEICA EM UC6体视显微镜下对样品进行观察，寻找平整、适合切片的面，选择切片机自动修块儿模式(速度100mm/s,步长500nm)，使用修块儿刀将其修成规则的小四棱台型(如图1A)。切面越小，获得的超薄切片厚度越薄[10]。本实验室验证了切面大小对超薄切片厚度的影响这一问题，分别对约0.2mm×0.2mm的切面和2mm×2mm切面做了超薄切片。

对于形状比较规则、棱角分明的样品，可以将样品大部分夹持在样品夹具内，只留一个很小的尖角部位供切片。仅需用修块儿刀对尖角稍加修整，即可出现一个小三角形或梯形平面，可以用来切超薄切片。

修块儿后，换切片刀进行超薄切片制作。由于上述金属材料硬度适中，可以使用新制的玻璃刀对其进行超薄切片制备，也可以使用钻石刀切片。经过常规对刀后，对超薄切片机设置自动切片模式，切片速度设置为较快的速度可以获得较薄的切片[10]。如使用玻璃刀，切片速度可以设置为50～100mm/s,切片厚度设置50nm。如果使用钻石刀，可以设置更快的切片速度，如100mm/s，切片厚度可以设置为15nm。开始自动切片后，在超薄切片机体视显微镜中观察切片情况。

对于梯形的切面，超薄切片一般难以形成较长切片带，易发生向上卷曲，或者切片发生碎裂，堆叠在刀锋处。小三角形切面，可见超薄切片大多卷曲堆叠在刀锋处。当超薄切片积累较多时，左手用显微镊夹持微栅铜网，放置在切片附近，右手持睫毛笔挑起卷曲、堆叠的超薄切片放置于铜网上，并用睫毛笔轻轻在铜网上涂抹几次，使堆叠聚集的切片均匀分布于铜网上，细小的金属薄片通过静电作用可以比较牢固的吸附在铜网膜上。

3 样品的保存

鉴于超薄切片多在50nm以内，在一般环境中容易发生氧化或和空气中的水分发生反应，故超薄切片完成后应尽快上透射电镜进行观察，或有条件的实验室可放入真空箱保存[3]。

4 结果观察

超薄切片完成后，在金相显微镜上对其进行观察。在显微镜下，可见比较完整的超薄切片附着在铜网上，或者可见一些碎片比较均匀的分布在铜网上如图1(A) 、图1(B)所示。

使用日本电子生产的透射电镜JEM-2100F，在加速电压200keV下观察超薄切片发现，铜网上有较多超薄切片的碎片，切面较大的样品制得的超薄切片较厚，切面较小的超薄切片较薄(图2)。

图1 光镜下观察超薄切片(A)光镜下观察超薄切片在铜网上的分布情况；(B)半透明的较薄切片

图2 电镜低倍下观察超薄切片厚度(A)切面较大的超薄切片厚度较厚；(B)切面较小的超薄切片厚度较薄。

对较薄的超薄切片进行高分辨观察和拍摄高分辨图像，晶格显示清晰可见。用GATAN图像分析软件测量晶格间距，计算d值，与金属镁(100)面相符，如图3所示。

图3 高分辨电镜下观察超薄切片(A).低倍下观察；(B).高分辨相，晶格清晰可见；(C).对晶格间距进行测量和计算，d=0.287nm，与金属Mg (100)面相符合。

5 讨论

超薄切片技术作为一种常见的透射电镜制样技术，在材料科学研究领域得到广泛应用。对于镁及其合金材料，超薄切片无疑是一种快速、无污染的透射电镜制样手段。本实验室采用干切法对Mg金属及其合金进行超薄样品制备。在超薄切片过程中注意样品切片要尽可能小，在切片速度较快的情况下可以用玻璃刀制备出可以供透射电镜观察的超薄切片。超薄切片在制作过程中可能发生卷曲、碎裂等问题，但都不影响高分辨电镜的观察。TEM观察结果证实，用该方法制备的超薄切片足以满足高分辨像的拍摄要求和研究需要。

在常规超薄切片制备过程中可以借助切片在水槽中的干涉色来判断厚度，干切法不能对切片的厚度进行判断，所以切片过程中应注意选用比较锋利的切片刀。如果使用玻璃刀，要选择刀口平直、锋利的玻璃刀，尽可能在制备超薄切片前1-2小时制作新刀[14]，以确保切片厚度尽可能薄。对于较为活泼的金属样品，超薄切片制备完成后尽快上机观察，或者在真空环境下妥善保存，以保证获得可靠的研究数据。

6 结论

综上所述，本实验室采用干切法对活泼金属Mg及其合金制备了满足高分辨TEM观察的超薄切片，为此类金属样品超薄切片的制备方法提供了参考。

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