《原子探针场离子》PPT课件.ppt

原子探针场离子显微镜(FIM),1、场离子显微术原理 1.1 试样准备 这是FIM实验中十分关键的一个步骤。典型的已制备好的FIM试样是很细的针，尖端 曲率半径约为20-100 nm。制备针尖的初始材料一般是直径为0. 1-0. 3 mm的细丝，可以由冷拔丝直接获得或由电火花切割成小方棒再磨制而成。,合金FIM试样用电解抛光法制成，制备电镜薄膜试样的电解液和抛光条件，也适用于制备FIM针尖，但有时要稍稀一些，使抛光速度减慢便于控制。 具体电解抛光法见图：,抛光常分两阶段，第一阶段抛光速度可以较快，直到在试样下部某处出现比其它部分截面要细的“腰”为止。第二阶段放慢抛光速度，使“腰”部逐渐变细，试样在该处断裂的瞬间，马上切断电源，终止抛光。整个抛光过程用立体显微镜监视，控制针尖形状和切断电源的时间。有经验的实验者可以用光学显微镜来判断已抛成的样品尖端是否符合FIM观察的要求。,1.2 FIM原理,1.2.1仅器与成像原理,1.2.2 成像气体的场电离（field ionization) 在强电场作用下，紧靠金属表面的气体原子通过量子力学隧道效应，失去电子变为正离子的现象称场电离。,1.2.3 金属原子的 场蒸发(Field Evap-oration),针尖试样上施加足够强的电场强度后，表面原子会离开试样，形成正离子，这个过程称为场蒸发。如果试样表面已吸附了一层气体原子，施加一定强度的电场后，可去除此吸附层，这个过程称场脱附(Field Desorption )。,1.3 电场诱导应力,带电电容器的两极之间存在着相互吸引力，在FIM中也存在类似的力。不过其中一个电极(针尖)非常小，因此在样品顶部存在很高的局部应力。对一个表面电场强度为F0的带电球，垂直于表面的应力0为：,1.4 FIM的工作范围,只有在一定工作条件下，才能使试样不断 裂，并获得清晰的FIM像。由于成像气体的电离 场F1，试样的蒸发场FE和使试样断裂的应力对 应的电场FY都与温度有关。只有当FE大于F1，并大于最佳成像电场FBIF时，才能得到稳定的FIM像，否则在还未达到清晰的像时，试样己开始蒸发，无法形成稳定的像。,1. 5 放大倍数与分辨率,1.5.1 放大倍数 FIM结构比较简单，成像时不需要透镜。如果FIM试样与荧光屏构成两个同心球，则成像离子轨道垂直于试样表面，放大倍数可由下式给出：,式中r为试样半径;R为试样表面到荧光屏的距离; (R十r)为荧光屏球的半径。实际上试样为针状，正离子运动轨迹开始时垂直试样表面以后由于针杆上及样品支架上的正 电场将使其轨迹向试样轴方向弯曲，放大倍数会减小，见图,1.5.2 分辨率,所谓分辨率是指显微镜所能分辨的物空间的最小距离。 当放大倍数为M时，定义FIM分辨率为,主要有三个因素决定分辨率: (1)成像气体原子的场电离并不仅仅发生在离试样表面某些原子的距离为x0处的几个确定的点，而是发生在直径为0的“电离圆盘”中。 0的经验值为0. 150. 35mm，是限制0K时分辨率的主要因素。 (2)由测不准关系导致的成像离子切向动量不确定性引起的像尺寸扩展u (3)成像离子平行于表面的切向热运动造成的像尺寸的扩展t。,把这三个因素合并在一起，得到FIM的分辨率,1. 6 合金的成像衬度,1.6.1 无序固溶体,合金的成像机理比较复杂，这是因为各种元素在合金中的场电离和场蒸发行为不同。试样表面电荷会向电负性大的一方原子转移，电负性小的原子周围局部电场增强，成像气体电离几率增加，其像较亮些。这是“选择电离”机理。,1.6.2 有序合金和化合物,1.6.3 不同相的衬度,过饱和固溶体分解时，沉淀出第二相。与基体相比，大部分沉淀相显示出亮的或暗的衬度。这种衬度主要决定于沉淀相与基体相两者场蒸发行为的差异。如果沉淀相比基体难以场蒸发，则随场蒸发过程的进行，它将从试样表面突起来，该处局部电场强度高，因而场电离几率也高于其周围基体。沉淀相在FIM像上形成亮区见图4-15b。反之如沉淀相比基体容易场蒸发，则在FIM像上呈暗区。通常熔点愈高的相，衬度愈亮。此外，析出相的衬度还依赖于试样的温度和成像气体的种类。 沉淀相的成分只能用原子探针来确定。当合金中析出几类不同的沉淀相，但其衬度非,2、原子探针(AP),2.1 飞行时间AP 2.1.1 原理 最简单的AP是飞行时间AP (TOFAP) ,称为常规AP。,由于离针尖表面数纳米内，电场强度急骤下降，作为较好的一级近似，可以认为，刚离开试样表面，离子即被瞬时地加速到它们的最后速度。设试样上所加电压为V，发生场蒸发时，试样表面处正离子的电势能全部变为动能,式中m,ne和v分别为离子的质量、电荷和速度。若试样 顶端到探测器的距离为L，则,2.1.2 装置设计,2.2 AP分析,2. 2. 1 AP分析方法,常用的AP分析方法有三种:单原子种类识别、选区分析和随机区域分析，即沿深度方向的成分剖析。可以根据研究间题的性质，选用相应的AP分析方法,2.2.2 数据的表示,AP实验过程中，最原始的记录是按离子被收集到的先后次序，显示其质荷比，同时亦列出蒸发各个离子所需的脉冲数。这种原始显示，可直接用于数据量很少的单原子识别。为了从中取得更多的信息，发展了很多软件，可得到质谱图、符号图、沿深度方向成分剖析图、阶梯图、累积剖析图等。可以根据研究间题的需要，分别采用其中的几种数据表示法。,2. 2. 3数据分析 对于AP分析法中的单原子种类识别和选区分析，关键是选择合适的实验条件，如Vp/VDC比值，试样温度，场蒸发速率等，其结果十分直观，除作一般的误差分析外，不必作特殊的数据处理。但对随机区域分析，得到的是分析小柱体中，成分沿深度方向的变化。,2.3 其他类型的原子探针 1.成像原子探针(IAP) 2.能量补偿原子探针(ECAP) 3.脉冲激光探针(PLAP) 4.三维原子探针,3.1 表面物理,用AP-FIM研究表面时，在看到表面原子排列的同时，还可以鉴别单个原子的种类。目前为研究表面现象而设计的AP-FIM，其真空度高达1-9Pa。场蒸发后，试样的表面十分清洁，这是用AP-FIM研究表面现象的最大优点。 1.单原子吸附在表面的结合能 2.表面扩散,3.2 晶体缺陷,3.2.1 点缺陷 FIM能分辨出单个原子可以直接看到的点缺陷，应该是研究点缺陷的有力工具。但由于FIM像衬度解释上的困难，即暗位置与空位，或亮点与间隙原子之间常常不是一一对应关系，FIM的结果在定量上并不完全正确。另外，由于试样体积很小(约为10-21m3数量级)，在求点缺陷的浓度时，统计性较差。,3. 2. 2 位错 3. 2. 3 面缺陷,面缺陷主要包括晶界、相界、层错和反相畴界等。在FIM像中如果晶界或相界优先