矿物微区分析中透射电镜测试技术的应用

陈佳妮

南京大学 内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，南京 210023

透射电子显微镜（TEM）是以波长极短的电子束作为光源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。它可以直观获取纳米级样品的形貌、成分、结构等信息，是研究样品微观结构的重要仪器之一。自20世纪30年代诞生之日起，就广泛运用于材料、环境及生命科学等领域（Beaman, 1978; Buseck and Veblen, 1978;Banfield, 2001; 黄孝瑛，2008; 李叶等，2019）。近30年来，TEM测试技术在地球科学领域中也发挥了越来越重要的作用，尤其是高分辨率的TEM图像给出了很多相转变的直接证据。洪汉烈等在研究土壤中的黏土矿物组成和相转变时，利用TEM技术发现了同一高岭石颗粒中0.7 nm间距的晶格条纹直接转变为伊利石的1.0 nm和蒙脱石的1.5 nm的晶格条纹的现象，给出了高岭石伊利石化和蒙脱石化的产物是三组分混层黏土矿物的直接证据（Hong et al., 2015）。何宏平等在研究埃洛石和高岭石向贝德石转变时观察到了固态下001面网间距为0.7 nm的埃洛石向001面网间距为1.2～1.3 nm的蒙脱石转变的晶格尺度的证据，提出了1:1型黏土矿物向2:1型黏土转变的新路径(He et al., 2017)。近20年来,很多科研团队利用TEM技术研究了材料相变和生物矿化过程,发展并提出了一种新结晶学理论：颗粒定向粘附（crystallization by particle attachment(CPA)）理论，其中用TEM拍摄的形貌与晶格条纹像等就给出了最直接的证据（De Yoreo et al., 2015; Giulia et al., 2020; Liu et al., 2019, Zhang et al., 2019）。此外，在解决一些长期困扰地质学家的难题上，如破解e-斜长石无公度调制结构之谜（Jin and Xu, 2017）等，TEM提供了关键的数据支持。

TEM功能强大，但由于矿物样品结构成分复杂，非均质程度很高，存在样品制备难度大（Petrunic et al., 2006）、实验过程复杂、实验容易失败等问题，使得在矿物分析研究中应用TEM技术受到限制。近十年来，国内也有科研人员对样品的制备、TEM使用中的一些技巧等做了很多探索和总结，如关于微米颗粒TEM样品制备的探索（马秀梅和尤力平，2018），粘土矿物定向包埋超薄切片（Liu et al.,2019），高角度环暗场像的拍摄关键技巧（郝龙龙和覃丽禄，2020），如何拍摄高质量的TEM照片（曾丽珍和赵少飞，2016）。然而到目前为止，还没有研究是从TEM实验测试技术角度系统的归纳和研究在矿物微区分析中的测试过程，也就是没有相对系统地解决“TEM技术在地科领域怎么做？”的问题。因此，本文以搭载牛津仪器AZtec X-Max 80T型能谱的FEI Tecnai G2F20S-TWIN 型场发射透射电子显微镜系统为例，归纳运用TEM分析矿物样品的完整实验测试流程和方法，并重点分析了样品制备、目标矿物定位、图像获取、及微区结构和成分测定等环节的实验原理、过程、部分实验难点及其解决方法。本文的研究有助于地质领域学者系统化地了解TEM测试技术及其难点，有助于学者清晰化通过TEM测试技术完成科学研究的路径。

1 TEM的基本原理

TEM的工作原理是由电子枪发射出来的高能电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，由聚光镜将电子束会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照在样品室内极薄的样品上（图1）。电子与样品中的原子碰撞，产生立体角散射(Ludwig,1997)。这些散射电子中的弹性散射电子经过物镜的会聚和初级放大后，继续进入下级的中间透镜和多级投影镜进行综合放大成像（图2），可以得到质厚衬度像、衍射衬度像和相位衬度像等 （Williams and Carter, 2009）；散射角的大小与样品的密度和厚度有关（李斗星，2004）。而非弹性散射产生的X射线则可以用于能谱的元素成分分析。

图1 电子束穿过薄样品产生的各种信息Fig.1 Information produced by electron beam transmitting through a thin sample

图2 透射电子显微镜主体结构示意图（据李金华和潘永信，2015）Fig.2 Main structure of transmission electron microscope

2 矿物样品的TEM测试实验过程

TEM样品的制备主要受TEM仪器的特点所制约，制备的样品必须要满足对电子束透明（Williams and Carter, 2009），即电子束能够穿透样品。由于TEM的光源是电子束，其穿透能力较弱，因此样品必须制备得足够薄，待观察区域厚度范围为10～200 nm（章晓中, 2006）。实际测试中发现，要想很好地观测高分辨晶格，样品厚度不能超过50 nm。此外，由于TEM样品杆的限制，样品直径不要超过3 mm。

为了运用TEM进行高效地分析测试，需要按照一套符合矿物样品特点的实验流程来进行测试。总的来说，首先需要根据样品的初始形态（块状岩石、矿物单晶、粉末颗粒、液体等），选择合适的方法制备样品；然后利用TEM针对感兴趣的位置进行包括形貌像、高分辨像、电子衍射花样、暗场像等不同类型图片的拍摄；最后是选定关注的微区，测试元素组成及分布情况。下面按照实验的顺序，详细论述各步骤的流程、要点，注意事项，并针对一些典型问题给出解决方案。

2.1 矿物样品的制备

矿物样品的制备，是指将原始矿物通过一些处理，制出能够用于TEM观察的样品。常用的制样方法有粉末制备法、离子减薄制备法、聚焦离子束切片制备法、超薄切片法（杨勇骥，2003）及液体原位制备法（王文等，2018）。样品制备是TEM测试工作的关键之一（Ayache et al., 2010），据内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室TEM Lab室近5年的统计数据分析，样品制备不好导致实验失败次数占总失败数的约70%。因此，必须针对样品特点遴选合适的制备方法。本文将着重介绍以下三种制样方法。

2.1.1 粉末制备法

粉末法指的是通过研磨样品并分散在液体试剂中获得符合TEM观测要求的粉末颗粒悬浮液。具体的制备流程为：研磨原始样品获得足够细的粉末，取适量粉末，置于离心管中，加入适量溶剂，放入超声波分散仪中超声分散。超声结束后，滴适量溶液到载网支持膜上，充分晾干即可。为了选取尺度适宜的观测颗粒，超声完毕后，可以选择合适孔径滤膜筛分，也可以静置一段时间，让大厚颗粒沉降，然后取上层悬浊夜滴到载网上。

运用这种制备方法需注意以下几点，首先要分析样品特性，确定是否适合研磨成粉末。如长石、石英等高硬度矿物，很难磨小磨薄，而且研磨时的应力损伤很可能会破坏原有结构，就不适合使用此方法制备。而风化岩石、土壤、粘土岩等较软样品则可以使用此种制备方法。第二是溶剂的选择，首选乙醇，其分散性好且易挥发晾干。如果选择水作为分散剂，滴样时需要尽量保证液滴在支持膜上不流动；第三是常规支撑载网的选择：最常用的是普通碳支持膜载网，如果考虑拍摄更清晰的照片，可以采用超薄碳膜或微栅膜载网，如果想标记样品的位置，可以选择带坐标的碳支持膜载网；四是磁性样品的处理：对于磁性不强的小颗粒，使用专用的双联载网（曾丽珍等，2016），或是使用隔离液（如聚乙烯醇缩甲醛的氯仿溶液）固定小颗粒进行制样。对于强磁性样品，需要谨慎处理，可以考虑磁性分离法制样。

2.1.2 离子减薄制备法

离子减薄法制样是指利用加速的氩（Ar）离子束以一定的角度从一侧或两侧轰击薄样品，使其表面的原子不断地被剥离，直至样品穿孔。岩石、矿石、矿物等块状样品的制样均可以选择离子减薄方法进行制备。

离子减薄制备的具体流程是：首先确定样品的特性，如果是均质样品，则使用冲样机冲出直径3 mm的柱状样品。然后将样品双面磨抛，得到厚度为50 μm以下的薄圆片，再使用凹坑仪对薄圆片进行预减薄至出现15 μm以下的碗状凹坑，最后放入离子减薄仪，用Ar离子进行终减薄（章晓中，2006），获得电镜观察需要的薄区。对于非均质样品，可以先将样品制成光学显微镜可以观察的光薄片（厚度30 um左右，注意载玻片使用加拿大树胶等加热可熔化且能溶于丙酮的胶固定样品）。在光学显微镜下寻找目标矿物，按该矿物的光性特征，确定精确取向，如垂直该矿物a，b或c轴或特定方向，从而确定并标记待观察区域。用AB胶将支撑用九孔铜网或铜环粘在样品上，注意确保待观察区在铜网/铜环的中心位置附近，用专用的金刚石刻刀将铜环外围多余样品去除；然后加热载玻片，取下样品，用丙酮擦拭掉样品上的可熔胶，最后放入减薄仪减薄即可。

这种制备方法有两点需要注意，一是要结合样品特性排除由于高能离子束轰击产生的观测假象、表面损伤和样品被加热等造成的影响（Kim，2001）。二是离子减薄后的矿物样品，如果本身不导电的话，需要用喷碳仪在样品表面喷镀一薄层碳。

2.1.3 聚焦离子束法

聚焦离子束(Focused Ion Beam, FIB)制备法，是指在扫描电镜可视条件下使用极细的稼（Ga）离子束对样品目标区域进行定点显微切割， 所切割薄片的大小和厚度可以设定，可直接制备出符合透射电镜分析要求的样品，极大地提高了制备成功率（Wirth, 2004, 2009）。

FIB样品制备只消耗少量材料，是TEM样品制备的较理想工具（Wirth, 2009）。与其他制备方法相比，它前处理简单，对样品的污染和损害较小，而且可视下的精准切割，制样效率高。但是这种方法也有一些不足之处：其一、由于不能预先确定矿物样品取向，从而增加了样品在TEM中观察和后续分析的难度；其二、采用该方法需要注意样品在稼离子轰击下的损伤程度（杨卫明等，2010），以及溅射污染等。最后，由于FIB系统价格昂贵，制样成本也远高于其他常规的制样方法。

2.2 目标矿物的定位

样品制备完成后，将样品放入TEM就可以进行观测。根据样品特点选择不同的观察流程，对于生物和材料样品来说，样品的均质程度很高，很容易找到需要观测的目标。而对于地质样品，通常都是多种矿物的混合体，而一般只需要研究其中的一种或几种矿物，这时就要先寻找目标矿物。

如果样品中的几种矿物，其化学组成具有显著的差异，且目标矿物是主要组分。对于这种情况，通常的做法是：移动样品，观测支撑载网上不同位置的颗粒/区域，先从颗粒的外观上筛选，如果外观无法判别，则需要借助能谱再进一步的筛查。若目标矿物含量很低的情况下，仍然采用上面的方法，则由于TEM的视域小，移动样品范围受限，需要反复插入能谱探头进行成分分析，耗时多。这种定位方法就如同大海捞针，往往耗费大量机时还找不到目标。此时可采用SEM粗筛+TEM细分析方法来有效地解决了这一问题。即制备样品时采用有坐标的载网，利用SEM形貌结合EDS能谱缩小查找范围甚至可以直接确定目标矿物，再结合坐标载网标记的位置，就能够在TEM中迅速定位到目标。例如， 在赣南稀土矿区一个富稀土花岗岩风化壳采集的样品中，需要在其中找铈（Ce）的矿物。因为风化，粘土矿物和次生矿物粒径都很小。首先研磨成粉末样，然后滴在带坐标碳支持膜载网上，获得待测样品。将样品放入专用载台，在SEM中采用低倍大视野下的背散射模式观察样品，同时结合能谱，查找目标矿物，最终在样品上找到合适的目标矿物颗粒，即红色圈中矿物颗粒（图3），含Ce矿物。根据载网上的坐标，在TEM中直接定位到到该颗粒（图4），再进行更微区尺度的成分、结构等分析，最终确定了整个颗粒为棒状的埃洛石（halloysite,Hal）及含Ce的矿物方铈石（CeO2, cerianite）。

如果样品中不同矿物的化学组成非常相近，甚至是同质多相体。对于这种情况，首先通过形貌进行筛选。如果形貌无明显差异的话，需要通过电子衍射等分析结构差异，进行区分。

2.3 图像的获取

2.3.1 明场形貌像

TEM明场（bright field, BF）形貌像即依据阿贝成像原理，利用透过样品的电子束在像平面上形成反映样品特征的像。与SEM的二次电子像主要反映样品表面的信息相比，TEM明场像还可以反映样品内部特征。在TEM中确认目标矿物后，首先调整好样品的高度，然后拍摄样品形貌，即从低倍至高倍，针对感兴趣区域逐级放大，拍摄出目标视域的清晰图片（如图5a，b）。

图3 SEM背散射图Fig.3 SEM backscatter image of target specimen

图4 含Ce矿物TEM图Fig.4 TEM image of target Ce-bearing minerals

形貌照片拍摄最好优先进行，原因有三个：其一，获取样品基本的形貌像数据，观测不同尺度的形貌细节；其二，形貌像是后续其他分析的基础，无论是结构还是成分分析，都是针对样品的某个特定区域，需要和形貌对应；其三，后续分析操作有可能会对样品造成明显的辐照损伤，破坏其原始形貌。形貌像拍摄时，主要是要注意一些对电子束敏感的样品（如粘土矿物等），需要通过插入物镜光阑、减弱电子束强度等方法来降低影响。

2.3.2 电子衍射花样

晶体是具有格子构造的固体，其内部原子团的规律性排布使得入射电子发生了弹性散射。因此在拍摄完形貌像以后，如果需要对样品的结构进行分析或是拍摄暗场像等，则需要做电子衍射，以分析特定微区的结构特征。

图5 针铁矿（a）和矿化细菌（b）明场形貌像Fig.5 BF image of goethite (a) and mineralized bacteria (b)

电子衍射有很多种，如选区电子衍射（Selected Area Electron Diffraction, SAED）、 会 聚 束 衍 射(Convergent Beam Electron Diffraction, CBED)及纳米束衍射（Nano-beam Electron Diffraction, NBED）等。对于矿物样品来说，通常是做SAED，比较常见的衍射花样有单晶衍射花样（图6）和多晶衍射花样（图7），无定形结构像以及混合结构衍射花样。在测试时，具体过程是：第一步，选定矿物具体区域，根据其大小，插入合适的选区光阑，将TEM切换到衍射模式，观察衍射花样。第二步，拍摄衍射花样，如果看到的是比较有规则的一些衍射点，则需要倾转样品（样品台倾转极限值以内）至衍射点均匀对称地分布在透射束周围，即转正晶带轴。然后再拍摄如图6所示的衍射花样。如果观察到的图像是多晶环，则调锐衍射环，然后拍摄衍射花样图片。第三步，获得衍射花样图片后，对其进行标定，确定晶体取向或鉴定物相。这里需要注意的是，由于TEM选区衍射选取的样品有限，测试结果可能具有一定的偶然性和统计误差，因此在进行物相分析时，可以再结合一下X射线衍射仪（XRD）的测试数据。

图6 黑云母单晶衍射花样Fig.6 SAED image of biotite

图7 白云石多晶衍射花样Fig.7 SAED image of dolomite

拍摄衍射花样时，需要注意以下两点：一是拍摄照片前，由于中间的透射束能量太强，务必要插入挡针遮挡中心亮斑，否则可能会损坏相机。二是拍摄单晶花样时，要尽可能转正晶带轴。如果晶带轴没有转正，对称性不佳，会造成标定误差而影响鉴定，而且因为衍射点的强度不一致，既不好判定平行四边形法则中矢量的选取，也会影响下一步高分辨像的精准度。因此，除非超出了样品台倾转极限值，否则首先还是要转正晶带轴。

基于电子衍射花样，可以用物镜光阑套住关注的衍射斑点，获取对应的暗场(Dark Field，DF)像；也可以继续倾转试样，使得其中只有一个衍射束很强，满足双束（Dual Beam）条件，从而极大程度地显示微结构的细节，如图8所示位错的衍射衬度像。

在同质多相变体的矿物样品研究中，通常会用选区电子衍射的数据来描述矿物在结构方面的变化过程。例如在研究微生物参与碳酸盐矿化的机理时，利用TEM拍摄了细菌参与矿化反应不同时间段的样品形貌图及对应的选区衍射花样（图9），照片显示了碳酸钙颗粒从任意取向向取向一致的变化过程（Lv et al., 2017）。

图8 橄榄石位错像Fig.8 Image of dislocations in olivine

电子衍射是研究物质晶体结构的一种手段，与其类似的还有X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）、中子衍射（Neutron diffraction）、同步辐射X射线衍射（Synchrotron Radiation-XRD）等。上述除TEM-SAED外的衍射技术，尽管也可以做微区衍射，但其微区测试的尺寸受制于准直管的尺寸，一般为 30～100 μm，最小不小于 10 μm，而且由于需要准确定位极其困难，因此很难推广。而TEM-SAED则完全没有这种困难，因而被广泛使用。

2.3.3 高分辨晶格条纹像

选区电子衍射拍摄完成以后，如果样品厚度满足要求，则可以进行高分辨晶格条纹像（简称高分辨像或晶格条纹像）的拍摄。高分辨像是相位衬度像，是所有参加成像的衍射束与透射束之间因相位差而形成的干涉图像，它能使大多数晶体材料中的原子列成像。在高分辨图像中（图10），既能直接测得面网间距，也可以直观地看出矿物相变情况或不同类型矿物接触边界的细节信息（Zhang et al.,2019）。

具体的测试过程：首先在低倍下选择合适的微区，然后将该区域进一步放大到高倍，消除物镜像散，调焦至晶格像清晰，即可拍摄出高分辨像。如果前一步的选区衍射已经转正带轴，则能够拍摄到二维晶格像（图11a），否则得到的就是一维晶格像（图11b）。

此外，配合傅里叶变换的高分辨像尤其适用于天然矿物样品中的极微小颗粒（50 nm以下）的结构信息研究。因为，TEM通常配置的最小选区光阑对应的圆形选区直径约为200 nm，远大于颗粒尺寸，只做选区衍射必然会带来其他物相的干扰信息。而如果做纳米束衍射的话，需要配备专用的小聚光镜光阑（10 um），且操作难度较高。另外，由于高分辨拍摄时，电子束集中照在几十纳米的微小区域上，极易造成损伤，因此需要迅速获取图像，旋即将放大倍数降低，以免损伤样品。

图9 碳酸钙的结构变化图，(c-d)反应16 h; (e-f)反应32 h; (g-h)反应72 h（据Lv et al.，2017)Fig.9 Structural change of calcium carbonate (c-d) 16 h reaction, (e-f) 32 h reaction, (g-h) 72 h reaction（by Lv et al., 2017）

图11 赤铁矿（a）和金红石（b）高分辨像Fig.11 High resolution image of hematite (a) and rutile (b)

高分辨像获得的是亚晶格尺度的晶格条纹图像，能够直观地观察晶体结构的特定取向及变化，若配备有球差校正系统，则可清晰地获得原子像。而目前除原子力显微镜外，尚无其他手段可以获得。

2.4 微区成分分析

微区成分分析是利用电子束照射到样品上产生的特征X射线，获得样品化学成分以及元素分布情况。由于进行微区成分分析时，需要用能量足够高的一束细聚焦电子束照在矿物样品上，极易引起样品的损伤，破坏样品的形貌，改变样品的晶体结构。因此，除非为了确定目标矿物，否则微区成分分析应在最后进行。

微区成分分析有两种模式，一种是TEM+能谱分析模式，另一种是扫描透射（Scan TEM, STEM，透扫）+能谱分析模式。前者由测试者将电子束聚细，照在关注的样品区域上，根据能谱收集的信号，获得元素成分信息。这种模式的优点是电子束斑大，能谱信号强度高，缺点是分辨率低；后者在STEM模式下，先获取高角度环暗场像（High-Angle Annular Dark-Field, HAADF），再控制电子束透扫关注区域，收集点、线或面的能谱信号，获得成分信息或元素的分布情况。这种模式的电子束斑小，优点是分辨率高，但能谱信号强度相对前一种要弱。

在具体测试时，需要依据样品情况迅速、准确地调整电子束的强度和相应的能谱采集时间，以获取足够的能谱信息，同时也要关注能谱收集信号的这段时间内，样品漂移对于测试结果的影响。

在矿物样品的微区成分研究方面，通常会选择电子探针微分析仪（EPMA）、SEM或TEM。三者都是针对矿物化学组成受电子激发后产生的特征X射线进行分析，但三者使用了不同的X射线接收装置，即探测器。EPMA配备的是波长色散的晶体谱仪（WDS），WDS的能量分辨率高，结合标样可以进行矿物成分的定量分析，但分析速度较慢；SEM和TEM配备的能量色散谱仪（EDS），其能量分辨率比EPMA低，但分析速度快，适用于快速地定性分析。另一方面，通常进行成分分析时，EPMA束斑尺寸为微米级，所分析的微区需要不小于1 μm，而SEM束斑的尺寸是百纳米级，其分析的微区不能小于百纳米。因此，这两种仪器的分析结果在纳米尺度上很可能不准确，而TEM束斑尺寸为纳米级别，此时就需要结合TEM进行进一步的微区成分分析。例如在DaG978陨石的研究中（Li et al., 2017），在SEM初查中，在橄榄石的一富磷（P）区域利用FIB切制TEM样，但对所切样品不同区域进行成分分析时，发现并不是所有区域都富P，某些位置并无P信号检出，说明在TEM观察尺度上，能够确定P分布不均匀（图12）。另外，前期EPMA结果表明，样品中富P橄榄石中含有的氧化铬（Cr2O3）和氧化铝（Al2O3）远高于球粒橄榄石。然而，TEM观察和分析表明，DaG978中富P橄榄石的铬（Cr）和铝（Al）含量很低，可能与球粒橄榄石处于同一水平。富P橄榄石中明显较高的Cr和Al浓度，可能是由于其中混合了细小的富Cr铁尖晶石（hercynite）包裹体（图13）。

3 结论与展望

TEM具有的纳米尺度分析精度，使得它成为地质学及其他领域研究矿物或材料等微观特征的强有力工具。而矿物样品的多样性及非均质特性，使得在具体测试中，面临诸多困难。但若遵循一套科学且合理的测试流程，便能获得高质量的结果。本文是笔者在长期实践的基础上，依个人经验总结出的一套较完整的测试流程：样品制备、目标矿物定位、图像获取以及微区成分分析。对于流程中的每一步，均既总结了测试过程，又强调了注意点和测试技巧，并列举了一些较典型的应用。按照该流程进行矿物样品的测试，既保证测试的高效性，同时也最大程度的获取了研究区域的准确信息。然而，地质样品的复杂性，使得后续测试中还会碰到各种各样的困难，需要继续思考、设计、验证和总结，才能够更高效地发挥TEM的强大功能。

图12 TEM-EDS 谱图（据Li et al., 2017）Fig.12 TEM-EDS spectra of P-rich olivine (a), P-poor olivine(b) and Cr-rich hercynite (c)（by Li et al.，2017）

图13 (a) 富磷橄榄石及其富铬尖晶石包裹体的HAADF像，其中明亮的晶粒为富Cr铁尖晶石; (b-i) Si、Mg、Fe、Al、Cr、P、Ca和Cl的EDS面扫描图（据Li et al.，2017）Fig.13 HAADF image of P-rich olivine and its Cr-rich hercynite inclusions (a, the bright grains in a are Cr-rich hercynite) and EDS mapping results of Si, Mg, Fe, Al, Cr, P, Ca, and Cl（b-I, by Li et al.，2017）