第11章-1薄膜樣品的制備

1、111-1 概概 述（述（2）v薄晶電子顯微分析：薄晶電子顯微分析：v60年代以來：年代以來：因高性能電子顯微鏡、薄晶樣品制備方法高性能電子顯微鏡、薄晶樣品制備方法及電電子衍射理論子衍射理論的發(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。v90年代透射電鏡，年代透射電鏡，用于觀察薄晶樣，其晶格分辨率已達晶格分辨率已達 0.1nm ，點分辨率為點分辨率為0.14nm。v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； 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。211-1 概概 述（述

2、（3）v若配備加熱加熱、冷卻冷卻、拉伸拉伸等特殊樣品臺特殊樣品臺，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。v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材料的微觀組織和結(jié)構(gòu)進行同位分析。結(jié)構(gòu)進行同位分析。3第第 二二 節(jié)節(jié) 薄薄 膜膜 樣樣 品品 的的 制制 備備 4一、薄膜樣品應具備的基本要求（一、薄膜樣品應具備的基本要求（1）1. 薄膜樣對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” 。v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 U=200k

3、V 時，可穿透500nm厚厚的鐵膜； 當 U= 1000kV時，可穿透1500nm厚厚的鐵膜。v 從圖像分析角度來看：從圖像分析角度來看： 樣品較厚，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，得到圖像復雜，難以進行分析。 樣品太薄，樣品太薄，表面效應明顯，組織、結(jié)構(gòu)有別于大塊樣品。v因此，不同研究目的，樣品厚度選用應適當。 對一般金屬材料，樣品厚度都在一般金屬材料，樣品厚度都在 500 nm 以下。以下。5一、薄膜樣品應具備的基本要求（一、薄膜樣品應具備的基本要求（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

4、使用薄膜：直接使用薄膜：只有少數(shù)情況（光學或電子器件）。 大塊體：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、處理和應用，觀察分析用薄晶，應代表大塊體固有性質(zhì)。v大塊樣品須大塊樣品須經(jīng)一系列不致引起組織、結(jié)構(gòu)變化方法，逐步減減薄薄到電子束能穿透的厚度。v特別在最后減薄，只能用化學或電化學等無應力拋光法，以特別在最后減薄，只能用化學或電化學等無應力拋光法，以減少機械損傷或熱損傷。減少機械損傷或熱損傷。但也不能完全保持原有狀態(tài)。6一、薄膜樣品應具備的基本要求（一、薄膜樣品應具備的基本要求（3）3. 薄膜應有較大透明面積，減薄應盡可能均勻。薄膜應有較大透明面積，減薄應盡可能均勻。 以

5、便選擇典型的視域進行分析。4. 薄膜樣品應有一定強度和剛度。薄膜樣品應有一定強度和剛度。 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。 7透射樣品制備工藝示意圖透射樣品制備工藝示意圖v從塊料制備金屬薄膜大致可分為三個步驟：三個步驟：8二、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為從實物或大塊試樣上切割厚度為0.30.5mm的薄片。的薄片。 v導電樣品：電火花線切割法，導電樣品：電火花線切割法，v應

6、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。v不導電樣品：不導電樣品：用金剛石刃內(nèi)圓切割機金剛石刃內(nèi)圓切割機切片，如陶瓷等。 9v超聲波切割機：超聲波切割機：v對半導體、陶瓷、地質(zhì)等脆性薄片材料進行切割。v切割厚度：40um 5mm （1cm、2cm也都可）v直徑：3mm10二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（2）2、樣品薄片的預減薄。、樣品薄片的預減薄。v預減薄方法：機械拋光法機械拋光法和化學拋光法化學拋光法。 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。11v再用粘

7、接劑粘在樣品座上，用專用磨盤在水砂紙上研磨減薄至70100m。v硬材料：減薄至約70m；軟材料：100m。12v手工磨制時應注意：手工磨制時應注意：樣品應平放，用力適中均勻，避免過早出現(xiàn)邊緣傾角，并充分冷卻。v更換一次砂紙用水徹底清洗樣品，v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。13磨料的類型和尺寸磨料的類型和尺寸v科學做法：科學做法：針對具體材料用去除率高，形變損傷小的磨料。v常用水砂紙：常用水砂紙： Al2O3、SiC、金剛石。v水砂紙顆粒度：水砂紙顆粒度：SiC ：P1500#（粒度12.6m），P2000#（粒度10.3 m ），P5000#（

8、3.5 m）。v金剛石涂層砂紙：金剛石涂層砂紙：v30m 20m9m5m3m1mv順序：順序：1500# P2000# 5000# 1m（金剛石膏)14v拋光：拋光：即使手工研磨用力不大，也有m級厚損傷或變形硬化層，故還需進行表面拋光。v拋光目的：拋光目的：去除試樣表面磨痕、損傷或變形硬化層。v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。拋光墊示意圖15v拋光后清洗干凈，在加熱爐上翻面。v最終厚度控制在70-80m以內(nèi)，Si材料可磨到50m以下。16二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（3） 化學拋光減薄法：化學拋光減薄法： 把切割好的金屬薄片放入配制好的化學試劑中，使它

9、表面受腐蝕而繼續(xù)減薄。v合金中各相的腐蝕傾向是不同的，故應注意減薄液的選擇。v化學減薄法：化學減薄法： 具有速度很快，表面無機械損傷、形變硬化層等優(yōu)點，減薄后厚度可控在2050m。v拋光液：拋光液：包括三個基本成分，即硝酸硝酸或雙氧水雙氧水等強氧化劑強氧化劑用以氧化樣品表面；還有另一種酸另一種酸用于溶解該氧化物層。v因試樣表面突起處反應速率快，從而達到拋光減薄的效果。17二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（4）v常用的各種化學減薄液化學減薄液的配方： 表11-1 化學減薄液的成分 18二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（5）v常用的各種化學減薄液的配方：表11-1 化學減薄液的

10、成分 19二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（9）3、凹坑（釘薄）、凹坑（釘?。簷C械研磨后再挖坑，使中心區(qū)進步減薄。 美國美國GatanGatan公司公司656型凹坑儀：型凹坑儀：樣品中心區(qū)可研磨至50m?？蓽蚀_定位，增大薄區(qū)面積，縮短離子減薄時間，尤其適合于脆性材料。20v原理：原理：用一個球形砂輪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。 21v可精確控制凹坑深度22二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（6）4、最終減?。?、最終減薄：常用雙噴電解拋光減薄法雙噴電解拋光減薄法和離子減薄法離子減薄法，它是目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

11、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： 將經(jīng)減薄的3mm圓片樣，裝入夾持器，樣品接陽極。 樣品兩面各有一噴嘴，噴出電解液柱由鉑絲和陰極相接。 兩噴嘴軸線上還裝有一對光導纖維，一端接光源，另一個端接光敏元件。23二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（7） 樣品減薄后，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。v減薄后樣品：減薄后樣品：中心孔附近有較大薄區(qū)，電子束可穿透，圓片周邊較厚，成剛性支架，可裝入電鏡，進行觀察、分析。 v工藝簡單，穩(wěn)定可靠，為現(xiàn)今應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

12、-2 雙噴式電解減薄裝置示意圖 24二、薄膜制備工藝過程（二、薄膜制備工藝過程（8）v常用的各種電解拋光減薄液電解拋光減薄液的配方：表11-2 電解拋光減薄液的成分 25電解拋光儀電解拋光儀v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v可在短短幾分鐘內(nèi)將3mm試樣制備成TEM用帶孔試樣。v當試樣出現(xiàn)穿孔時，紅外線探測器會使其自動停止。v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。26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：v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。v電

13、解液成分、溫度、流量、電壓、噴射頭數(shù)量可分別可控。27二、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：v對不導電陶瓷或金屬樣經(jīng)機械研磨、凹坑機械研磨、凹坑后，用離子減薄離子減薄。 離子減?。弘x子減薄：物理法減薄。 用氬離子束在樣品兩側(cè)以一定傾角（5o8o）轟擊賤射樣品，將試樣表面層層剝?nèi)?，最終使試樣減薄到電子束可通過的厚度。28v離子減?。弘x子減?。哼m用于礦物、陶瓷、半導體及多相合金等電解拋光所不能減薄的場合。v離子減薄的效率較低，一般情況下4m/小時左右。但是離子減薄的質(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光離子減薄，觀察效果會更好。 陶瓷樣：陶瓷樣：硬度高、