應(yīng)用超薄切片技術(shù)對側(cè)光型背光源白色反射膜的凸起進行定點切割方法的改進

楊 慧，2 賈云玲 鞠 晶

(1.北京大學(xué)，北京 100871；2.首都醫(yī)科大學(xué)，北京100069)

圖1 側(cè)光型白色反射膜結(jié)構(gòu)示意圖

目前液晶顯示器向輕薄化、低能耗的方向發(fā)展，人們試圖將側(cè)光型背光源用于較大的液晶顯示器。但是側(cè)光型背光源有亮度不均的弱點。表面帶有凸起的白色反射膜可起到改善液晶背光源亮度不均的作用[1-3]。該薄膜為高分子聚合材料，具有三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該材料底層為聚丙烯酸樹脂，中間層為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)發(fā)泡基材，表層的樹脂層表面為包含有球狀粒子涂布層，球狀粒子可為尼龍樹脂等有機球狀粒子或二氧化硅等無機顆粒。球狀粒子形成凸起的高度要求在15～60μm之間[1、2]。該材料結(jié)構(gòu)特點為：質(zhì)地較軟，中間基材有孔隙，表層均勻分布著形態(tài)多樣、大小不一、高度不等的凸起。

反射膜表面凸起的高度是改善光源亮度不均問題的關(guān)鍵所在[1-3]，測定凸起的高度是評價該膜性能的重要指標，是界定專利產(chǎn)品的重要表征，也是專利訴訟糾紛的重要參考和評判依據(jù)。目前國內(nèi)沒有相關(guān)測定標準，尚且沿襲日本的測定方法[1，2]。該方法使用日本MICROTOME研究所(株)制造的旋轉(zhuǎn)式切片機對樣品橫斷面垂直切片，用體視顯微鏡配合判斷凸起顆粒的高度。旋轉(zhuǎn)式切片機是在20世紀二十年代開始應(yīng)用于制備半薄切片樣品的設(shè)備[3]，該設(shè)備沒有聯(lián)機體式顯微鏡，最薄切片厚度為1μm[4]。目前的超薄切片技術(shù)和儀器水平已經(jīng)遠遠超過了專利標準制定時的水平。例如，LEICA超薄切片機具有4個不同方向LED光源和10～64倍可調(diào)節(jié)的體視鏡，切片可精確到納米級別[5]。目前超薄切片技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生物領(lǐng)域、材料領(lǐng)域超薄切片樣品制備[6、7]，可以實現(xiàn)在切片過程中對樣品進行實時觀察。因此，應(yīng)用新設(shè)備和新技術(shù)對這種薄膜材料表面凸起進行定點切割可以做到更加準確和可控，對反射膜的表面凸起高度和薄膜厚度進行表征，指導(dǎo)樣品改進生產(chǎn)工藝等具有重要的意義。

1 日本專利實驗方法

在反射膜樣品上隨機選擇5處(2mm ×2mm范圍)進行觀察，選擇該范圍內(nèi)最高的突起。用日本MICROTOME研究所(株)制造的旋轉(zhuǎn)式切片機對測試樣品進行定點切割，切刀傾斜角度為3度，并沿與薄膜平面垂直的方向進行切割，切割過程中借助顯微鏡觀察以判斷是否切到凸起最高點。切割完成后，用TOPCON公司制造的掃描電子顯微鏡ABT-32觀察和拍攝截面照片。測量5個凸部的最大高度H，以及5個樣品凹部的最小高度h，分別作差(H-h)，該差值的平均值即是該樣品在一個面上凸起的最大高度[1，2]。測量方法示意圖見圖2。

圖2 薄膜樣品最高凸起與最凹部位的測量方法示意圖

2 改進方法

根據(jù)材料特性和制樣要求，參考日本專利方法，本實驗室采用LEICAEM UC6超薄切片機進行樣品制備。

2.1 樣品準備

樣品由金杜律師事務(wù)所提供。依據(jù)專利要求，隨機選取10個不同位置，將測試樣品用鋒利的刀片或剪刀剪裁成“凸”字型，示意圖如圖3所示。寬大的基底便于樣品夾穩(wěn)定夾持，形狀呈梯形使樣品在切割過程中不易發(fā)生變形[8]。在前端隨機選取2mm×2mm區(qū)域，用極細Marker筆標出范圍。

圖3 用于制備的樣品示意圖

2.2 突起觀察及確定樣品最高凸起位置

依據(jù)專利要求，隨機選擇樣品在LEICA EM UC6超薄切片機體視顯微鏡下放大10倍觀察樣品表面(水平位)，目測比較凸起尺寸大小，重點關(guān)注區(qū)域內(nèi)尺寸較大的幾個凸起。將樣品夾順時針轉(zhuǎn)動90度，于垂直位觀察凸起高度，找到一個或幾個感興趣的凸起(如圖4所示)。將垂直位樣品夾逆時針旋轉(zhuǎn)3度，在放大64倍的體視鏡下觀察感興趣的凸起，經(jīng)多角度反復(fù)比較最終確定一個最高凸起。用極細Marker筆對最高凸起進行標記。

圖4 在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品表面凸起

2.3 對樣品進行定點切割

切片刀使用LEICA EMKMR2 制刀機制作的玻璃刀，刀座間歇角設(shè)置為3度。將樣品含有凸起的平面調(diào)整至垂直于刀的位置。調(diào)整樣品即將要切割的橫截面與和刀的角度，使二者完全垂直，橫截面上、下兩條邊與刀鋒平行。調(diào)整好樣品和刀的位置后開始定點切割，根據(jù)標記好的目的凸起位置和刀的相對距離設(shè)定切割模式和速度，例如：凸起的位置距離可以切割到的位置較遠，可以選擇自動修塊模式，切割速度設(shè)置為100mm/s，步長設(shè)置為500nm。邊修塊邊觀察，注意Marker筆標記的目的凸起的位置，當切割位置鄰近凸起時，停止修塊，調(diào)整切割速度和步長，分別設(shè)置為3mm/s，200nm，繼續(xù)切割，密切觀察目的凸起是否被切到，需要同時觀察樣品水平位，垂直位和傾斜角度凸起的形態(tài)、大小、和高度變化，直至在64倍體視顯微下觀察到樣品凸起的最高點為止。

2.4 噴金

為了增加樣品的導(dǎo)電性，對制備完成的樣品橫斷面(可以觀察到凸起最高點的面)進行噴金，所用離子濺射儀為日本電子JEOL Smartcoater, 工作電壓220kV, 濺射時間30s，金涂層厚度約為5nm。

2.5 掃描電鏡觀察和測量

對10個不同位置樣品制備完成后，在日本電子JEOL IT300掃描電鏡下進行觀察、拍照和測量。觀察和拍攝過程中使用二次電子探頭，工作電壓為10kV，測量結(jié)果如圖5所示。在掃描電鏡下觀察時發(fā)現(xiàn)，樣品橫截面三層結(jié)構(gòu)完整，無形變，可以清楚地觀察到最高凸起縱切面。發(fā)現(xiàn)部分樣品在切割過程中凸起內(nèi)的顆粒有脫落現(xiàn)象，突起內(nèi)可以觀察到殘留的印記，有時可以在橫斷面上看到脫落的顆粒物。由于該樣品的凸起是一個較大區(qū)間，如15～60μm之間，故顆粒脫落對最高凸起測量的影響不大，而且根據(jù)對圖像測量和觀察可以確定，顆粒脫落后，該凸起基本仍是視野內(nèi)最高處。對凸起進行最大高度H及最小高度h進行測量，分別作差、求平均值，即得到該樣品在一個面上凸起的最大高度為36.83μm。該平均值符合專利要求。測量值及結(jié)果見表1。

圖5 凸起高度測量A.掃描電鏡觀察可見樣品結(jié)構(gòu)完整，根據(jù)專利要求對樣品凸起最高處和最凹處進行測量；B.凸起內(nèi)的球狀微粒在切割過程中脫落，在顆粒脫落的情況下，該凸起仍是視野中最高的部位。

表1 凸起高度測量結(jié)果

3 注意事項

(1)樣品準備過程中注意操作輕柔，避免樣品產(chǎn)生折痕、擠壓變形或損傷突起等問題發(fā)生。

(2)反射膜最高的凸起的判斷需要提高體視顯微鏡放大倍數(shù)，結(jié)合傾轉(zhuǎn)90度和小角度傾斜后充分觀察確定。顯微鏡下，俯視觀察凸起表面可以清晰觀察到2mm× 2mm區(qū)域中所有凸起，可以通過目測判斷尺寸最大的突起，可為找到最高凸起提供幫助，但是難以確定尺寸最大的凸起就是最高的凸起。如圖4所示，凸起形狀不一，有的凸起可能有拉伸變形，有的凸起尺寸相似，均難以通過水平像凸起面積判斷其高度。超薄切片機配合高倍體視顯微鏡可以對樣品進行5個維度的平移和傾轉(zhuǎn)，通過精準觀察可獲得凸起尺寸和高度兩個的信息，這種方法對凸起最高點的判斷更為準確。

(3)切割時確保樣品所要觀測橫截面與刀峰垂直，即垂直于橫截面方向切割。否則將導(dǎo)致樣品切面各層厚度產(chǎn)生誤差，影響樣品最高值和最低值測量。使用LEICAEM UC6 超薄切片機，在背光燈下利用體式顯微鏡對刀，比較容易做到使樣品橫截面與刀峰完全垂直。

(4)定點切割過程中注意觀察。當切到接近最高凸起時，要注意密切觀察，甚至每切一刀都要在水平、垂直和傾斜3個角度充分觀察，以免切過最高點。

4 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)式切片機是一種多年前用于制備半薄切片的設(shè)備。在制備反射膜這類樣品時主要存在兩方面缺點。缺點一是切片精度不夠。旋轉(zhuǎn)式切片機的精度約1μm，在確定凸起最高點時誤差較大。而LEICA EM UC6切片的精度可達1nm，在精度上提高1000倍，有著旋轉(zhuǎn)式切片機不可比擬的優(yōu)勢。缺點二是旋轉(zhuǎn)式切片機沒有配備體視顯微鏡，不能在切割過程中對樣品進行實時觀察，操作者需借用顯微鏡觀察樣品凸起，鄰近目標物時需要將樣品從切片機上取下來用顯微鏡觀察，確定是否到達最高點，觀察后再將樣品重新固定到切片機上。此種方法操作不便，并且在樣品反復(fù)被取下和固定過程中造成位置和角度的變化，導(dǎo)致定點切割的誤差。LEICAEM UC6超薄切片機配備體視鏡，可以很好避免上述問題的發(fā)生。因此，本改進方法是一種符合側(cè)光型背光源用白色反射膜專利要求的，操作更為簡便，結(jié)果更為準確的新方法。綜上所述，超薄切片技術(shù)是一種極具優(yōu)勢的制樣技術(shù)，然而在大多實驗室中卻只被應(yīng)用于常規(guī)TEM超薄切片制備，在實際工作中應(yīng)注意開發(fā)和拓展超薄切片技術(shù)的使用范圍，例如可嘗試在某些掃描電鏡樣品制備、定點切割樣品制備及原子力顯微鏡(AFM)樣品制備等過程中應(yīng)用以最大程度開發(fā)儀器的使用潛能。