表面复型技术概述

透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是“透明的”。电子束穿透固体样品的能力，主要取决于加速电压和样品物质原子序数。一般来说，加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透样品厚度就越大，如图17-1所示。对于透射电子显微镜常用的加速电压为100k V，如果样品是金属，其平均原子序数在Cr的原子序数附近，因此适宜的样品厚度约为200nm。

图17-1 可穿透厚度t与加速电压u的关系

显然，要制备这样薄的金属样品不是一件轻而易举的事情。因此，当透射电子显微镜诞生后，首先被应用于观察医学生物样品上，而金属样品，遇到的困难就是样品制备问题。20世纪40年代初期才出现了“复型”技术，即把金相试样表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制薄膜（叫做“复型”）放到透射电子显微镜中去观察分析，这样才使透射电子显微镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。

用于制备复型的材料本身必须是“无结构”的（或“非晶体”的），也就是说，为了不干扰对复制表面形貌的观察和分析，要求复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，它们都是非晶体。

根据复型所用的材料和制备方法，常见的复型有以下四种：塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型和抽取复型，如图17-2所示。塑料一级复型和碳一级复型经常碰到的困难就是膜与样品的分离，尤其是粗糙表面或具有裂纹的表面更难分离。在这种情况下，必须采用二级复型方法，不论是塑料或碳一级复型，还是塑料-碳二级复型，都只能提供样品表面形貌的信息，而抽取复型能够提供样品中第二相析出粒子的晶体结构信息。

在应用复型技术研究材料表面形貌和显微组织时，为了得到好的复制效果，首先要注意制备好金相试样。金相试样表面必须仔细抛光，避免引起表层组织的变化；通常可以沿用光学显微镜分析所用的、能产生浮雕的浸蚀剂和规范，但以浸蚀得浅些为好，因为这样有利于保留显微组织的细节，避免晶界、相界的过浸蚀，引起组成相粒子形状失真，甚至造成腐蚀坑等在光学显微镜中未必能显示的缺陷和假象，它们在透射电子显微镜下却可能被显示。所以常用活性或浓度较低的浸蚀剂，这样也能使浸蚀过程比较容易控制。

图17-2 四种常见的复型

（a）塑料一级复型；（b）碳一级复型；（c）塑料 碳二级复型；（d）抽取复型

其次，要注意各种复型方法对样品表面浮雕的复制能力，碳一级复型分辨率最高，可达2nm；塑料分子尺寸比碳粒子大得多，约10nm，所以只能复制大于这一尺寸的显微组织细节。塑料-碳二级复型的分辨率主要取决于第一级塑料复型，它的分辨率与塑料一级复型相当。另外，也应了解在透射电子显微镜下的观察对复型材料的要求。复型材料除了对电子束足够的“透明”，即要求材料物质原子序数低之外，还必须具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破碎或畸变，以及具有良好的导电性，耐电子束轰击。从上述几方面来看，碳复型比塑料复型要好。

20世纪50年代后，随着金属薄膜技术的发展，复型技术的应用逐渐减少，尽管如此，由于复型技术能较简便地复制和显示试样表面的形貌细节，而且在一般情况下不损坏原始试样表面，至今在金属材料显微镜组织分析以及断口分析方面仍有一定范围的应用，尤其在一些特殊情况下（例如大件破坏的失效分析），能显示出其独特的优点。