通过薄膜包埋技术结合增强的聚焦离子束（FIB）方法从微/纳米颗粒中提取透射电子显微镜（TEM）样品薄片

《Micron》：Extracting TEM lamellae from micro/nano particles through a thin film embedding strengthened FIB approach

针对传统环氧树脂封装在FIB加工中易导致纳米颗粒脱落的难题，本研究提出薄层封装增强聚焦离子束（FES-FIB）技术，通过优化封装工艺提升样品稳定性，成功制备出两种典型纳米结构（NCM微球和Ni/Fe层状双氢氧化物）的TEM超薄切片，显著提高高分辨TEM观察效果。

　　在材料科学与纳米技术领域，对微纳米结构进行精确表征是理解其性能与机制的关键。特别是对于具有成分梯度或结构不均匀性的微纳米颗粒，如核心-壳结构、表面掺杂或包覆结构等，获取其横截面信息至关重要。这些结构往往包含丰富的内部与外部成分差异，只有通过高分辨率的透射电子显微镜（TEM）和高分辨率能谱分析（EDS）才能深入研究其结构-性能关系。然而，传统的TEM样品制备方法存在诸多局限性，尤其是在对复杂结构的微纳米材料进行定位分析时，难以保证样品的完整性和可观察性。

目前，透射电子显微镜技术已被广泛应用于材料科学中，因其具备极高的空间分辨率和元素分析能力。为了实现对微纳米结构的精确表征，研究人员通常采用扫描透射电子显微镜（STEM）与高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）相结合的方法，并辅以高分辨率能散X射线光谱（HR-EDS）技术，以获得更全面的结构和成分信息。然而，对于尺寸较大或结构复杂的微纳米材料，传统的样品制备方式往往难以满足要求。例如，机械破碎法（如研磨、球磨或超声分散）虽然能够暴露内部界面，但会导致结构的破坏，同时难以保证样品的均匀性和可重复性。此外，由于微纳米结构的特殊性，样品在离子束加工过程中容易发生位移或脱落，严重影响样品的完整性和后续的TEM分析。

因此，为了克服这些挑战，研究者们不断探索新的样品制备方法。其中，聚焦离子束（FIB）技术因其高度的定位精度和灵活性，被认为是制备TEM样品的首选方法。FIB能够实现对特定区域的精准加工，从而获得具有代表性的薄层样品。然而，传统的FIB样品制备方式仍然存在一些问题。例如，使用常规的环氧树脂封装方法，虽然能够提供良好的化学稳定性和机械支撑，但在加工过程中，由于树脂的流动性和润湿性较差，微纳米颗粒容易形成不均匀的聚集结构，甚至产生气泡缺陷。这些缺陷不仅影响样品的观察效果，还可能导致在离子束加工过程中颗粒脱落，从而降低样品制备的成功率。

为了解决上述问题，本文提出了一种新型的环氧树脂薄膜封装增强聚焦离子束（FES-FIB）技术。该方法通过将粉末悬浮液均匀分散在乙醇中，并将其滴加在硅片表面，利用快速蒸发形成均匀的颗粒层。随后，通过高速气流吹拂，将稀释的环氧树脂滴加在颗粒层表面，使其在颗粒之间形成一层均匀的薄膜，从而有效固定颗粒并避免其在离子束加工过程中的位移或脱落。这种薄膜封装方法不仅能够保留颗粒的原始形态，还能在加工过程中提供更好的支撑，减少常见的“窗帘效应”（curtaining effect）现象，从而提高样品的可观察性。

在实验过程中，我们选取了两种具有代表性的微纳米结构作为研究对象：LiNi_0.83Co_0.11Mn_0.06O₂（NCM）球形微颗粒和由一步水热法合成的Ni、Fe双氢氧化物（Ni, Fe-LDHs）纳米片。这两种材料分别代表了不同的形态和尺寸特征，能够有效验证FES-FIB方法的通用性和适应性。通过FES-FIB技术，我们成功制备了具有高透明度和良好结构完整性的TEM薄片样品，并利用STEM和HRTEM技术对其进行了详细的表征。结果显示，该方法能够准确提取微纳米结构的横截面信息，为研究其内部成分分布和结构特征提供了可靠的技术支持。

与传统的环氧树脂封装方法相比，FES-FIB技术在多个方面展现出显著优势。首先，它能够有效减少颗粒的聚集现象，从而避免因颗粒间相互作用导致的结构破坏。其次，薄膜封装提供了更好的机械支撑，使得在离子束加工过程中颗粒不易脱落，提高了样品制备的成功率。此外，通过精确控制封装层的厚度和均匀性，该方法能够实现对微纳米结构的精准定位，确保在FIB加工过程中能够准确获取目标区域的横截面信息。这种改进不仅提升了TEM样品的制备质量，也为进一步研究微纳米结构的内部特征提供了更加可靠的手段。

FES-FIB技术的应用前景十分广阔。在催化、传感、能源存储与转换等领域，微纳米结构因其高比表面积和独特的界面特性而被广泛应用。例如，在催化剂领域，核心-壳结构和表面掺杂结构的材料能够显著提高催化活性，而这些结构的性能往往与其内部成分和结构分布密切相关。通过FES-FIB技术，研究人员可以更精确地分析这些材料的横截面，从而深入理解其结构与性能之间的关系。此外，在纳米材料的制备与表征过程中，FES-FIB技术也能够为研究材料的生长机制、界面演变过程等提供重要支持。

值得注意的是，FES-FIB技术的提出不仅解决了传统方法在样品制备过程中存在的问题，还为未来的研究提供了新的思路。随着电子显微镜技术的不断发展，对样品制备精度和稳定性的要求也在不断提高。FES-FIB技术通过优化封装方式，实现了对微纳米结构的高效、精准和稳定的样品制备，为相关领域的研究提供了更加可靠的技术手段。同时，该方法的通用性也使其能够应用于多种类型的微纳米结构，包括但不限于金属氧化物、复合材料和功能化纳米片等。

此外，FES-FIB技术的实施过程也体现出一定的创新性。通过将粉末悬浮液均匀分散在乙醇中，并利用快速蒸发形成颗粒层，研究人员能够有效控制颗粒的分布和排列方式。这一过程不仅提高了样品的均匀性，还为后续的薄膜封装提供了良好的基础。在薄膜封装阶段，高速气流吹拂的应用使得环氧树脂能够均匀覆盖在颗粒层表面，形成一层稳定的薄膜。这种薄膜不仅能够固定颗粒，还能在离子束加工过程中减少机械应力的集中，从而避免颗粒脱落或结构破坏。这一改进使得FES-FIB技术在实际应用中更加可靠和高效。

在实验验证过程中，我们通过对比传统方法和FES-FIB方法的样品制备效果，进一步证明了该技术的优势。传统的环氧树脂封装方法往往导致颗粒在封装过程中形成不规则的聚集结构，甚至在加工过程中因气泡缺陷而影响样品的观察效果。而FES-FIB方法通过优化封装过程，使得颗粒能够均匀分布，并在封装层的保护下保持其原始形态。这不仅提高了样品的可观察性，还确保了在FIB加工过程中能够准确提取所需的横截面信息。

综上所述，FES-FIB技术为微纳米结构的TEM样品制备提供了一种全新的解决方案。通过优化封装方式和加工过程，该方法能够有效解决传统方法中存在的问题，如颗粒聚集、气泡缺陷和结构破坏等。同时，FES-FIB技术的高精度和高适应性使其成为研究复杂微纳米结构的理想选择。未来，随着该技术的不断完善和推广，有望在更多领域中发挥重要作用，推动材料科学与纳米技术的发展。