第11章-1薄膜樣品的制備ppt課件

1、11-1 概概 述述2） 薄晶電子顯微分析：薄晶電子顯微分析： 60年代以來：因高性能電子顯微鏡、薄晶樣品制備方法及電年代以來：因高性能電子顯微鏡、薄晶樣品制備方法及電子衍射理論的發(fā)展，晶體薄膜電子顯微分析已成為材料微觀子衍射理論的發(fā)展，晶體薄膜電子顯微分析已成為材料微觀組織、結(jié)構(gòu)不可缺少的基本手段。組織、結(jié)構(gòu)不可缺少的基本手段。 90年代透射電鏡，用于觀察薄晶樣，其晶格分辨率已達年代透射電鏡，用于觀察薄晶樣，其晶格分辨率已達 0.1nm ，點分辨率為，點分辨率為0.14nm。 薄晶電子顯微分析：薄晶電子顯微分析： 能直接清晰觀察內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)，發(fā)揮電鏡高分辨率的特長；能直接清晰觀察內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)

2、，發(fā)揮電鏡高分辨率的特長； 還可結(jié)合電子衍射，獲得晶體結(jié)構(gòu)點陣類型、位向關(guān)系、還可結(jié)合電子衍射，獲得晶體結(jié)構(gòu)點陣類型、位向關(guān)系、晶體缺陷組態(tài)和其它亞結(jié)構(gòu)等有關(guān)信息。晶體缺陷組態(tài)和其它亞結(jié)構(gòu)等有關(guān)信息。11-1 概概 述述3） 若配備加熱、冷卻、拉伸等特殊樣品臺，還能在高分辨下進行材料薄膜的原位動態(tài)分析，用于研究材料相變和形變機理，揭示其微觀組織、結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在關(guān)系。 迄今為止，只有利用薄膜透射技術(shù)，方能在同一臺儀器上同時對材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)進行同位分析。第第 二二 節(jié)節(jié) 薄薄 膜膜 樣樣 品品 的的 制制 備備 一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求1）1. 薄膜樣對

3、電子束須有足夠的薄膜樣對電子束須有足夠的“透明度透明度” 。電子束的穿透能力和加速電壓有關(guān)。電子束的穿透能力和加速電壓有關(guān)。 當當 U=200kV 時，可穿透時，可穿透500nm厚的鐵膜；厚的鐵膜； 當當 U= 1000kV時，可穿透時，可穿透1500nm厚的鐵膜。厚的鐵膜。 從圖像分析角度來看：從圖像分析角度來看： 樣品較厚，膜內(nèi)不同層上的結(jié)構(gòu)細節(jié)彼此重疊而互相干擾，樣品較厚，膜內(nèi)不同層上的結(jié)構(gòu)細節(jié)彼此重疊而互相干擾，得到圖像復(fù)雜，難以進行分析。得到圖像復(fù)雜，難以進行分析。 樣品太薄，表面效應(yīng)明顯，組織、結(jié)構(gòu)有別于大塊樣品。樣品太薄，表面效應(yīng)明顯，組織、結(jié)構(gòu)有別于大塊樣品。因此，不同研究目的

4、，樣品厚度選用應(yīng)適當。因此，不同研究目的，樣品厚度選用應(yīng)適當。 對一般金屬材料，樣品厚度都在對一般金屬材料，樣品厚度都在 500 nm 以下。以下。一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求2）2. 薄晶組織結(jié)構(gòu)須和塊樣相同，樣品制備時，組織結(jié)構(gòu)不變。薄晶組織結(jié)構(gòu)須和塊樣相同，樣品制備時，組織結(jié)構(gòu)不變。 直接使用薄膜：只有少數(shù)情況光學(xué)或電子器件）。直接使用薄膜：只有少數(shù)情況光學(xué)或電子器件）。 大塊體：占絕大多數(shù)。大塊體：占絕大多數(shù)。 工程材料大都是以塊體形式被制造、加工、處理和應(yīng)用，觀工程材料大都是以塊體形式被制造、加工、處理和應(yīng)用，觀察分析用薄晶，應(yīng)代表大塊體固有性質(zhì)。察分析用

5、薄晶，應(yīng)代表大塊體固有性質(zhì)。大塊樣品須經(jīng)一系列不致引起組織、結(jié)構(gòu)變化方法，逐步減薄大塊樣品須經(jīng)一系列不致引起組織、結(jié)構(gòu)變化方法，逐步減薄到電子束能穿透的厚度。到電子束能穿透的厚度。特別在最后減薄，只能用化學(xué)或電化學(xué)等無應(yīng)力拋光法，以減特別在最后減薄，只能用化學(xué)或電化學(xué)等無應(yīng)力拋光法，以減少機械損傷或熱損傷。但也不能完全保持原有狀態(tài)。少機械損傷或熱損傷。但也不能完全保持原有狀態(tài)。一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求一、薄膜樣品應(yīng)具備的基本要求3）3. 薄膜應(yīng)有較大透明面積，減薄應(yīng)盡可能均勻。薄膜應(yīng)有較大透明面積，減薄應(yīng)盡可能均勻。 以便選擇典型的視域進行分析。以便選擇典型的視域進行分析。4. 薄膜樣品應(yīng)

6、有一定強度和剛度。薄膜樣品應(yīng)有一定強度和剛度。 在制備、夾持和操作過程中，在一定的機械力作用而不會引在制備、夾持和操作過程中，在一定的機械力作用而不會引起變形或損壞。起變形或損壞。 5. 在制備樣品時，不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。在制備樣品時，不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕。 因氧化和腐蝕會使樣品的透明度下降，并造成多種假像。因氧化和腐蝕會使樣品的透明度下降，并造成多種假像。 透射樣品制備工藝示意圖透射樣品制備工藝示意圖 從塊料制備金屬薄膜大致可分為三個步驟：二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程1） 1、 從實物或大塊試樣上切割厚度從實物或大塊試樣上切割厚度為為0.30.5mm的薄片。的薄片。 導(dǎo)

7、電樣品：電火花線切割法，導(dǎo)電樣品：電火花線切割法，應(yīng)用最廣泛，切割損傷層較淺，且應(yīng)用最廣泛，切割損傷層較淺，且可在后續(xù)磨制或減薄中去除?？稍诤罄m(xù)磨制或減薄中去除。不導(dǎo)電樣品：用金剛石刃內(nèi)圓切割不導(dǎo)電樣品：用金剛石刃內(nèi)圓切割機切片，如陶瓷等。機切片，如陶瓷等。 超聲波切割機：超聲波切割機： 對半導(dǎo)體、陶瓷、地質(zhì)等脆性薄片材料進行切割。對半導(dǎo)體、陶瓷、地質(zhì)等脆性薄片材料進行切割。 切割厚度：切割厚度：40um 5mm （1cm、2cm也都可）也都可） 直徑：直徑：3mm二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程2）2、樣品薄片的預(yù)減薄。、樣品薄片的預(yù)減薄。預(yù)減薄方法：機械拋光法和化學(xué)拋光法。預(yù)減薄方

8、法：機械拋光法和化學(xué)拋光法。 機械拋光減薄法：機械拋光減薄法： 經(jīng)切割后的薄片樣品由手工兩面研磨、拋光，砂紙從粗到細經(jīng)切割后的薄片樣品由手工兩面研磨、拋光，砂紙從粗到細減薄到一定厚度。除脆性材料外，可用專用沖片機沖成減薄到一定厚度。除脆性材料外，可用專用沖片機沖成3mm 的圓薄片。的圓薄片。 再用粘接劑粘在樣品座上，用專用磨盤在水砂紙上研磨減薄至70100m。 硬材料：減薄至約70m；軟材料：100m。 手工磨制時應(yīng)注意：樣品應(yīng)平放，用力適中均勻，避免過早手工磨制時應(yīng)注意：樣品應(yīng)平放，用力適中均勻，避免過早出現(xiàn)邊緣傾角，并充分冷卻。出現(xiàn)邊緣傾角，并充分冷卻。 更換一次砂紙用水徹底清洗樣品，更換

9、一次砂紙用水徹底清洗樣品， 當減薄到一定程度，用溶劑溶化粘接劑，使樣品脫落，再翻當減薄到一定程度，用溶劑溶化粘接劑，使樣品脫落，再翻個面研磨減簿，直到規(guī)定厚度。個面研磨減簿，直到規(guī)定厚度。磨料的類型和尺寸磨料的類型和尺寸 科學(xué)做法：針對具體材料用去除率高，形變損傷小的磨料?？茖W(xué)做法：針對具體材料用去除率高，形變損傷小的磨料。 常用水砂紙：常用水砂紙： Al2O3、SiC、金剛石。、金剛石。 水砂紙顆粒度：水砂紙顆粒度：SiC ：P1500#（粒度（粒度12.6m），），P2000#（粒（粒度度10.3 m ），），P5000#（3.5 m）。）。 金剛石涂層砂紙：金剛石涂層砂紙： 30m 20

10、m9m5m3m1m 順序：順序：1500# P2000# 5000# 1m金剛石膏金剛石膏) 拋光：即使手工研磨用力不大，也有拋光：即使手工研磨用力不大，也有m級厚損傷或變形硬化級厚損傷或變形硬化層，故還需進行表面拋光。層，故還需進行表面拋光。 拋光目的：去除試樣表面磨痕、損傷或變形硬化層。拋光目的：去除試樣表面磨痕、損傷或變形硬化層。 拋光墊上磨料顆粒在拋光中能上下起落，其作用力不足以產(chǎn)拋光墊上磨料顆粒在拋光中能上下起落，其作用力不足以產(chǎn)生磨痕。生磨痕。拋光墊示意圖 拋光后清洗干凈，在加熱爐上翻面。 最終厚度控制在70-80m以內(nèi)，Si材料可磨到50m以下。二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工

11、藝過程3） 化學(xué)拋光減薄法：化學(xué)拋光減薄法： 把切割好的金屬薄片放入配制好的化學(xué)試劑中，使它表面受把切割好的金屬薄片放入配制好的化學(xué)試劑中，使它表面受腐蝕而繼續(xù)減薄。腐蝕而繼續(xù)減薄。合金中各相的腐蝕傾向是不同的，故應(yīng)注意減薄液的選擇。合金中各相的腐蝕傾向是不同的，故應(yīng)注意減薄液的選擇。化學(xué)減薄法：化學(xué)減薄法： 具有速度很快，表面無機械損傷、形變硬化層等優(yōu)點，減薄具有速度很快，表面無機械損傷、形變硬化層等優(yōu)點，減薄后厚度可控在后厚度可控在2050m。拋光液：包括三個基本成分，即硝酸或雙氧水等強氧化劑用以拋光液：包括三個基本成分，即硝酸或雙氧水等強氧化劑用以氧化樣品表面；還有另一種酸用于溶解該氧化

12、物層。氧化樣品表面；還有另一種酸用于溶解該氧化物層。因試樣表面突起處反應(yīng)速率快，從而達到拋光減薄的效果。因試樣表面突起處反應(yīng)速率快，從而達到拋光減薄的效果。二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程4） 常用的各種化學(xué)減薄液的配方： 表11-1 化學(xué)減薄液的成分 二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程5） 常用的各種化學(xué)減薄液的配方：表11-1 化學(xué)減薄液的成分 二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程9）3、凹坑釘?。簷C械研磨后再挖坑，使中心區(qū)進、凹坑釘薄）：機械研磨后再挖坑，使中心區(qū)進步減薄。步減薄。 美國美國Gatan公司公司656型凹坑儀：型凹坑儀：樣品中心區(qū)可研磨至樣品中心區(qū)可研磨

13、至50m?？蓽蚀_定位，可準確定位，增大薄區(qū)面積，增大薄區(qū)面積，縮短離子減薄時間，縮短離子減薄時間，尤其適合于脆性材料。尤其適合于脆性材料。 原理：用一個球形砂輪在樣品中心滾磨，同時配以厚度精確原理：用一個球形砂輪在樣品中心滾磨，同時配以厚度精確測量顯示裝置。測量顯示裝置。 二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程6）4、最終減?。撼Ｓ秒p噴電解拋光減薄法和離子減薄法，它是目、最終減?。撼Ｓ秒p噴電解拋光減薄法和離子減薄法，它是目前效率較高和操作簡便的方法。前效率較高和操作簡便的方法。圖11-2 雙噴式電解減薄裝置示意圖 鉑絲陽極鉑絲陰極鉑絲陰極電解液光纖 （1雙噴電解拋光減薄法：雙噴電解拋光減薄法

14、： 將經(jīng)減薄的將經(jīng)減薄的3mm圓片樣，裝入夾持器，樣品接陽圓片樣，裝入夾持器，樣品接陽極。極。 樣品兩面各有一噴嘴，噴出電解液柱由鉑絲和陰極樣品兩面各有一噴嘴，噴出電解液柱由鉑絲和陰極相接。相接。 兩噴嘴軸線上還裝有一對兩噴嘴軸線上還裝有一對光導(dǎo)纖維，一端接光源，光導(dǎo)纖維，一端接光源，另一個端接光敏元件。另一個端接光敏元件。二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程7） 樣品減薄后，中心出現(xiàn)小孔，光敏元件輸出電訊號，即可切樣品減薄后，中心出現(xiàn)小孔，光敏元件輸出電訊號，即可切斷電源自動停止。斷電源自動停止。減薄后樣品：中心孔附近有較大薄區(qū)，電子束可穿透，圓片周減薄后樣品：中心孔附近有較大薄區(qū)，電子

15、束可穿透，圓片周邊較厚，成剛性支架，可裝入電鏡，進行觀察、分析。邊較厚，成剛性支架，可裝入電鏡，進行觀察、分析。 工藝簡單，穩(wěn)定可靠，為現(xiàn)今應(yīng)用較廣的最終減薄法。工藝簡單，穩(wěn)定可靠，為現(xiàn)今應(yīng)用較廣的最終減薄法。鉑絲陰極鉑絲陽極鉑絲陰極電解液光纖圖11-2 雙噴式電解減薄裝置示意圖 二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程8） 常用的各種電解拋光減薄液的配方：表11-2 電解拋光減薄液的成分 電解拋光儀電解拋光儀 丹麥丹麥Struers司特爾公司司特爾公司TenuPol-5型雙噴電解減薄型雙噴電解減薄 可在短短幾分鐘內(nèi)將可在短短幾分鐘內(nèi)將3mm試樣制備成試樣制備成TEM用帶孔試樣。用帶孔試樣。

16、當試樣出現(xiàn)穿孔時，紅外線探測器會使其自動停止。當試樣出現(xiàn)穿孔時，紅外線探測器會使其自動停止。 內(nèi)置內(nèi)置18種司特爾制樣方法數(shù)據(jù)庫，也可用戶自定義方法。種司特爾制樣方法數(shù)據(jù)庫，也可用戶自定義方法。電解拋光儀電解拋光儀美國美國Fischione 110型雙噴電解拋光減薄儀：型雙噴電解拋光減薄儀：強大的雙噴技術(shù)，能在數(shù)分鐘內(nèi)同時拋光樣品的兩面。強大的雙噴技術(shù)，能在數(shù)分鐘內(nèi)同時拋光樣品的兩面。電解液成分、溫度、流量、電壓、噴射頭數(shù)量可分別可控。電解液成分、溫度、流量、電壓、噴射頭數(shù)量可分別可控。二、薄膜制備工藝過程二、薄膜制備工藝過程8）（2離子減薄法：離子減薄法：對不導(dǎo)電陶瓷或金屬樣經(jīng)機械研磨、凹坑

17、后，用離子減薄。對不導(dǎo)電陶瓷或金屬樣經(jīng)機械研磨、凹坑后，用離子減薄。 離子減?。何锢矸p薄。離子減薄：物理法減薄。 用氬離子束在樣品兩側(cè)以一用氬離子束在樣品兩側(cè)以一定傾角定傾角5o8o轟擊賤射轟擊賤射樣品，將試樣表面層層剝?nèi)?，樣品，將試樣表面層層剝?nèi)?，最終使試樣減薄到電子束可最終使試樣減薄到電子束可通過的厚度。通過的厚度。 離子減?。哼m用于礦物、陶瓷、半導(dǎo)體及多相合金等電解拋離子減?。哼m用于礦物、陶瓷、半導(dǎo)體及多相合金等電解拋光所不能減薄的場合。光所不能減薄的場合。 離子減薄的效率較低，一般情況下離子減薄的效率較低，一般情況下4m/4m/小時左右。但是離小時左右。但是離子減薄的質(zhì)量高薄區(qū)大。子減薄的質(zhì)量高薄區(qū)大。 金屬薄膜樣：雙噴電解拋金屬薄膜樣：雙噴電解拋光離子減薄，觀察效果光離子減薄，觀察效果會更好。會更好。 陶瓷樣：硬度高、耐腐蝕，陶瓷樣：硬度高、耐腐蝕，離子減薄時間