本文由瑞典查尔姆斯理工大学应用物理系显微与微分析团队的 Henrik Pettersson、Samira Nik、Jonathan Weidow 和 Eva Olsson*（通讯作者）共同完成，发表于《Microscopy and Microanalysis》期刊，接收于2012年7月6日，最终于2013年出版。这项研究属于透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy， TEM）样品制备领域，具体聚焦于解决从低对比度材料中高精度、位点特异性提取纳米级薄区样品的长期技术挑战。
学术背景与研究目标 随着球差校正透射电镜等新一代高性能电镜的出现，获得高质量成像与谱学数据的前提是制备出质量同样卓越的样品。对于纳米电子器件、特定微观结构特征等纳米尺度目标的分析，需要能够以纳米级精度进行定位和提取的样品制备技术。聚焦离子束/扫描电子显微镜双束系统（Focused Ion Beam/Scanning Electron Microscope， FIB/SEM）是制备位点特异性TEM样品的强大工具。然而，该技术在处理低对比度材料（如许多半导体材料、轻元素材料）或尺寸极小（<100 nm）的特征时面临严峻挑战：由于样品荷电、束流漂移以及材料本身在FIB/SEM下成像对比度低，操作者极易在减薄过程中丢失感兴趣区域（Area of Interest， AOI）。传统的解决方案，如在薄区外制作X形定位标记，在样品被提取转移后便失去参考价值，无法用于最终减薄的终点判断，尤其不适用于低对比度样品。
因此，本研究旨在开发一种通用、高精度的方法，能够从任何FIB/SEM系统中，无需特殊样品杆，即可成功制备低对比度材料及纳米尺度特征的位点特异性TEM样品。其核心创新在于：将高对比度标记直接制作在薄区内部、紧邻AOI的两侧，并在沉积保护层时用高原子序数材料（如Pt）填充这些标记，从而在整个减薄过程中，直至最终步骤，都能清晰可视并精确控制AOI的位置。
详细工作流程 本研究开发的方法基于常规的原位提取技术，但引入了关键的内部标记策略。研究选取了三种截然不同、具有代表性的低对比度材料体系作为验证对象：用于超导量子干涉器件的高温超导YBa₂Cu₃O₇-δ（YBCO）人工晶界、用于量子比特的Al/AlOₓ/Al低温超导隧道结，以及用于金属切削的WC-Co基硬质合金（含Cr添加剂）中的粘结相晶界。这些结构的特征尺寸在宽度250-750纳米、高度50-100纳米之间，极具挑战性。
整个工作流程包含六个主要步骤，并在三种材料上逐一实施以验证普适性：
识别与初步保护：首先，使用SEM（对于硬质合金，结合电子背散射衍射EBSD定位晶界）精确识别AOI。然后，通过电子束诱导沉积在AOI上方沉积一层薄的Pt保护层（约5×1×0.2 μm），以在后续离子束加工中保护表面结构。
制作内部定位标记：这是方法的核心。在AOI两侧，紧邻保护层的位置，使用FIB铣削出特定形状的凹槽作为定位标记。标记的形状和尺寸可根据需要调整，例如在YBCO样品中使用了水平和垂直的条形标记，在Al隧道结样品中使用了水平条形标记，在硬质合金中使用了方形孔洞。这些标记被设计在最终薄区的范围内。
沉积厚保护层与填充标记：通过离子束诱导沉积，在AOI和标记区域上方沉积一层更厚的Pt保护层（约10-15×3×1.5 μm）。这一步骤至关重要，因为沉积的Pt材料会同时填充步骤2中铣出的标记凹槽，从而将“空坑”转化为“实心”的Pt高对比度标记。Pt的高原子序数确保了其在后续FIB离子束成像和SEM电子束成像中均具有明亮的高对比度。
原位提取：采用标准的FIB原位提取流程。在标记两侧铣出沟槽，从下方和一侧切断样品条，使用OmniProbe纳米机械手通过Pt沉积焊接并提取样品条，然后将其转移到专用的TEM载网上并固定。
基于标记的阶梯式最终减薄：这是实现纳米级精度的关键步骤。样品条固定后，开始从正面（面对离子束的一面）进行减薄。使用高束流（如1000 pA）快速减薄，直到第一对内部Pt标记在离子束图像中变得可见。这提供了第一个精确的厚度和位置参考。然后翻转样品，减薄背面，直到达到预设厚度（如2 μm）。随后降低束流（如300 pA），继续减薄正面，直到下一对标记出现。如此循环，在更低的束流（如100 pA）下进行最终的精密切削，直至最后一对标记出现。每次标记的出现都作为一个明确的“终点检测点”，指导操作者AOI仍然存在且减薄均匀。最终，将样品减薄至电子束透明。
后处理与表征：为了减少FIB加工引起的表面损伤，部分样品（如YBCO和硬质合金）在减薄后还进行了低电压（0.7 kV）氩离子抛光。制备完成的TEM样品随后在Philips CM 200、FEI Tecnai和球差校正FEI Titan 80-300等透射电镜中进行成像和表征，以评估样品质量并分析目标微观结构。
该方法中，内部标记的铣削与填充、以及基于这些标记的阶梯式减薄流程，是本研究自主研发的核心创新实验方法。它不依赖于任何特殊的样品杆或外部附件，可在任何配备气体注入系统和纳米机械手的常规FIB/SEM上实现。
主要研究结果 通过对三种不同类型材料的成功制备与表征，本研究全面验证了所提出方法的有效性、高精度和普适性。
YBCO超导晶界样品：成功从宽度仅300纳米的超导导线中提取了包含人工晶界的TEM薄区。阶梯式减薄过程中，不同深度的Pt标记清晰可见（如图2g-i所示），精确引导了减薄终点。最终的TEM图像（如图2k所示）明确显示，目标晶界区域被准确地位于薄区中央，且内部Pt标记清晰可辨，直接证实了定位的精确性。高分辨率扫描透射电镜成像进一步获得了晶界处的高质量原子结构信息（图5a），证明了该方法能为尖端分析提供优质样品。
Al/AlOₓ/Al隧道结样品：成功处理了宽度仅100-400纳米、厚度75纳米的极低对比度Al基隧道结。Al、Si和SiO₂的原子序数接近，在FIB/SEM下对比度极差。本研究制作的Pt内部标记在离子束和电子束图像中均呈现明亮对比（如图3c所示），成为在减薄过程中跟踪AOI的唯一可靠指引。最终获得的TEM样品（图3d）清晰显示了Al/AlOₓ/Al多层结构，特别是超薄的AlOₓ势垒层，表明该方法对于纳米电子器件的失效分析和结构表征具有重要价值。
WC-Co硬质合金粘结相晶界样品：针对体材料中的特定晶界，先通过EBSD定位，再使用本方法成功提取。在减薄过程中，尽管粘结相（Co基）本身对比度低，但Pt标记的清晰显现（如图4d所示）确保了减薄终点判断的准确性。最终的TEM暗场像（图5c, d）成功揭示了目标粘结相晶界的结构，展示了该方法对块体材料中特定微观结构进行分析的能力。
三种材料体系、从纳米器件到块体材料、从氧化物超导体到金属/合金的成功应用，构成了强有力的证据链，证明了该方法广泛的适用性。所有结果均显示，内部高对比度标记策略彻底解决了低对比度材料在FIB减薄中“看不见、找不着”的核心难题。
结论与价值 本研究发展并验证了一种用于从低对比度材料中以纳米级精度制备位点特异性TEM样品的通用方法。其科学价值在于，通过将高对比度标记集成到样品薄区内部的设计，从根本上克服了传统FIB方法在制备低对比度或纳米尺度特征样品时定位精度低、成功率不高的技术瓶颈。该方法将样品制备的成功率和定位精度提升到了新的水平。
其应用价值极为显著：首先，通用性强，适用于从纳米电子器件到工程材料等各种材料体系，尤其擅长处理低对比度材料。其次，可行性高，该方法仅需常规FIB/SEM设备，无需特殊样品杆或在TEM中预先检查，降低了技术门槛和成本。第三，精度与可靠性好，内部标记提供了贯穿始终的定位参考，即使实验中断也可精确定位恢复，也适用于提取前减薄的外提取流程。第四，灵活性高，标记材料可根据需要选择Pt或C（当Pt对比度不足时），以优化对比效果。
研究亮点 1. 核心创新点：提出了“在薄区内部制作并填充高对比度标记”的全新思路，这是该方法区别于以往所有外标记或依赖自然特征方法的关键所在，实现了对AOI从始至终的可视化追踪。 2. 方法普适性验证充分：选取了三种性质迥异、极具挑战性的材料体系（超导氧化物、金属隧道结、硬质合金）进行验证，全面展示了方法对不同材料类型和结构尺寸（低至100纳米）的适用性。 3. 流程严谨且可操作性强：研究详细描述了从定位、标记、保护、提取到阶梯式减薄的完整流程，步骤清晰，参数具体，具有很高的可重复性和指导意义。 4. 解决实际痛点：直接针对纳米科技和材料科学前沿研究中TEM样品制备的关键瓶颈问题——低对比度纳米结构的定位与提取，提供了切实有效的解决方案。
其他有价值内容 文中还讨论了该方法的精度极限和未来优化方向。指出其精度目前受限于所铣标记的线宽和侧壁陡直度（90°），进一步缩小标记尺寸和改善铣削几何形状可进一步提升精度。同时，该方法允许使用除Pt外的其他沉积材料作为标记，为用户根据具体材料体系选择最佳对比材料提供了灵活性。此外，该方法的思想也可扩展到其他需要高精度定位的样品制备领域，如原子探针断层扫描样品的制备。这项研究为微纳结构分析领域提供了一种强大、可靠且易于推广的样品制备工具，对推动相关领域的科学研究具有重要意义。