第11章-1 薄膜样品的制备

1、111-1 概概 述（述（2） 薄晶电子显微分析：薄晶电子显微分析： 60年代以来：年代以来：因高性能电子显微镜、薄晶样品制备方法高性能电子显微镜、薄晶样品制备方法及电电子衍射理论子衍射理论的发展，晶体薄膜电子显微分析已成为材料微观组织、结构不可缺少的基本手段。 90年代透射电镜，年代透射电镜，用于观察薄晶样，其晶格分辨率已达晶格分辨率已达 0.1nm ，点分辨率为点分辨率为0.14nm。 薄晶电子显微分析：薄晶电子显微分析： 能直接清晰观察内部精细结构，发挥电镜高分辨率的特长； 还可结合电子衍射，获得晶体结构（点阵类型、位向关系、晶体缺陷组态和其它亚结构等）有关信息。211-1 概概 述（述

2、（3） 若配备加热加热、冷却冷却、拉伸拉伸等特殊样品台特殊样品台，还能在高分辨下进行材料薄膜的原位动态分析原位动态分析，用于研究材料相变和形变机理，揭示其微观组织、结构和性能之间的内在关系。 迄今为止，只有利用薄膜透射技术，方能在同一台仪器上同时对材料的微观组织材料的微观组织和结构结构进行同位分析。进行同位分析。3第第 二二 节节 薄薄 膜膜 样样 品品 的的 制制 备备 4一、薄膜样品应具备的基本要求（一、薄膜样品应具备的基本要求（1）1. 薄膜样对电子束须有足够的薄膜样对电子束须有足够的“透明度透明度” 。 电子束的穿透能力和加速电压有关。电子束的穿透能力和加速电压有关。 当 U=200k

3、V 时，可穿透500nm厚厚的铁膜； 当 U= 1000kV时，可穿透1500nm厚厚的铁膜。 从图像分析角度来看：从图像分析角度来看： 样品较厚，样品较厚，膜内不同层上的结构细节彼此重叠而互相干扰，得到图像复杂，难以进行分析。 样品太薄，样品太薄，表面效应明显，组织、结构有别于大块样品。 因此，不同研究目的，样品厚度选用应适当。 对一般金属材料，样品厚度都在一般金属材料，样品厚度都在 500 nm 以下。以下。5一、薄膜样品应具备的基本要求（一、薄膜样品应具备的基本要求（2）2. 薄晶组织结构须和块样相同，样品制备时，组织结构不变。薄晶组织结构须和块样相同，样品制备时，组织结构不变。 直接使

4、用薄膜：直接使用薄膜：只有少数情况（光学或电子器件）。 大块体：大块体：占绝大多数。 工程材料大都是以块体形式被制造、加工、处理和应用，观察分析用薄晶，应代表大块体固有性质。 大块样品须大块样品须经一系列不致引起组织、结构变化方法，逐步减减薄薄到电子束能穿透的厚度。 特别在最后减薄，只能用特别在最后减薄，只能用化学或电化学等无应力抛光法，以化学或电化学等无应力抛光法，以减少机械损伤或热损伤。减少机械损伤或热损伤。但也不能完全保持原有状态。6一、薄膜样品应具备的基本要求（一、薄膜样品应具备的基本要求（3）3. 薄膜应有较大透明面积，减薄应尽可能均匀。薄膜应有较大透明面积，减薄应尽可能均匀。 以便

5、选择典型的视域进行分析。4. 薄膜样品应有一定强度和刚度。薄膜样品应有一定强度和刚度。 在制备、夹持和操作过程中，在一定的机械力作用而不会引起变形或损坏。 5. 在制备样品时，不允许表面产生氧化和腐蚀。在制备样品时，不允许表面产生氧化和腐蚀。 因氧化和腐蚀会使样品的透明度下降，并造成多种假像。 7透射样品制备工艺示意图透射样品制备工艺示意图 从块料制备金属薄膜大致可分为三个步骤：三个步骤：8二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（1） 1、 从实物或大块试样上切割厚度从实物或大块试样上切割厚度为为0.30.5mm的薄片。的薄片。 导电样品：导电样品：电火花线切割法，电火花线切割法， 应用最

6、广泛，切割损伤层较浅，且可在后续磨制或减薄中去除。 不导电样品：不导电样品：用金刚石刃内圆切金刚石刃内圆切割机割机切片，如陶瓷等。 9 超声波切割机：超声波切割机： 对半导体、陶瓷、地质等脆性薄片材料进行切割。 切割厚度：40um 5mm （1cm、2cm也都可） 直径：3mm10二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（2）2、样品薄片的预减薄。、样品薄片的预减薄。 预减薄方法：机械抛光法机械抛光法和化学抛光法化学抛光法。 机械抛光减薄法：机械抛光减薄法： 经切割后的薄片样品由手工两面研磨、抛光，砂纸从粗到细减薄到一定厚度。除脆性材料外，可用专用冲片机冲成3mm 的圆薄片。11 再用粘接剂

7、粘在样品座上，用专用磨盘在水砂纸上研磨减薄至70100m。 硬材料：减薄至约70m；软材料：100m。12 手工磨制时应注意：手工磨制时应注意：样品应平放，用力适中均匀，避免过早出现边缘倾角，并充分冷却。 更换一次砂纸用水彻底清洗样品， 当减薄到一定程度，用溶剂溶化粘接剂，使样品脱落，再翻个面研磨减簿，直到规定厚度。13磨料的类型和尺寸磨料的类型和尺寸 科学做法：科学做法：针对具体材料用去除率高，形变损伤小的磨料。 常用水砂纸：常用水砂纸： Al2O3、SiC、金刚石。 水砂纸颗粒度：水砂纸颗粒度：SiC ：P1500#（粒度12.6m），P2000#（粒度10.3 m ），P5000#（3.

8、5 m）。 金刚石涂层砂纸：金刚石涂层砂纸： 30m 20m9m5m3m1m 顺序：顺序：1500# P2000# 5000# 1m（金刚石膏)14 抛光：抛光：即使手工研磨用力不大，也有m级厚损伤或变形硬化层，故还需进行表面抛光。 抛光目的：抛光目的：去除试样表面磨痕、损伤或变形硬化层。 抛光垫上磨料颗粒在抛光中能上下起落，其作用力不足以产生磨痕。抛光垫示意图15 抛光后清洗干净，在加热炉上翻面。 最终厚度控制在70-80m以内，Si材料可磨到50m以下。16二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（3） 化学抛光减薄法：化学抛光减薄法： 把切割好的金属薄片放入配制好的化学试剂中，使它表面

9、受腐蚀而继续减薄。 合金中各相的腐蚀倾向是不同的，故应注意减薄液的选择。 化学减薄法：化学减薄法： 具有速度很快，表面无机械损伤、形变硬化层等优点，减薄后厚度可控在2050m。 抛光液：抛光液：包括三个基本成分，即硝酸硝酸或双氧水双氧水等强氧化剂强氧化剂用以氧化样品表面；还有另一种酸另一种酸用于溶解该氧化物层。 因试样表面突起处反应速率快，从而达到抛光减薄的效果。17二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（4） 常用的各种化学减薄液化学减薄液的配方： 表11-1 化学减薄液的成分 18二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（5） 常用的各种化学减薄液的配方：表11-1 化学减薄液的成分

10、 19二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（9）3、凹坑（钉薄）、凹坑（钉薄）：机械研磨后再挖坑，使中心区进步减薄。 美国美国Gatan公司公司656型凹坑仪：型凹坑仪：样品中心区可研磨至50m。可准确定位，增大薄区面积，缩短离子减薄时间，尤其适合于脆性材料。20 原理：原理：用一个球形砂轮球形砂轮在样品中心滚磨，同时配以厚度精确测量显示装置。 2122二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（6）4、最终减薄：、最终减薄：常用双喷电解抛光减薄法双喷电解抛光减薄法和离子减薄法离子减薄法，它是目前效率较高和操作简便的方法。图11-2 双喷式电解减薄装置示意图 铂丝阳极铂丝阴极铂丝阴极电解

11、液光纤 （1）双喷电解抛光减薄法：）双喷电解抛光减薄法： 将经减薄的3mm圆片样，装入夹持器，样品接阳极。 样品两面各有一喷嘴，喷出电解液柱由铂丝和阴极相接。 两喷嘴轴线上还装有一对光导纤维，一端接光源，另一个端接光敏元件。23二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（7） 样品减薄后，样品减薄后，中心出现小孔，光敏元件输出电讯号，即可切断电源自动停止。 减薄后样品：减薄后样品：中心孔附近有较大薄区，电子束可穿透，圆片周边较厚，成刚性支架，可装入电镜，进行观察、分析。 工艺简单，稳定可靠，为现今应用较广的最终减薄法。铂丝阴极铂丝阳极铂丝阴极电解液光纤图11-2 双喷式电解减薄装置示意图 24

12、二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（8） 常用的各种电解抛光减薄液电解抛光减薄液的配方：表11-2 电解抛光减薄液的成分 25电解抛光仪电解抛光仪 丹麦丹麦Struers（司特尔）公司（司特尔）公司TenuPol-5型双喷电解减薄型双喷电解减薄 可在短短几分钟内将3mm试样制备成TEM用带孔试样。 当试样出现穿孔时，红外线探测器会使其自动停止。 内置18种司特尔制样方法数据库，也可用户自定义方法。26电解抛光仪电解抛光仪美国美国Fischione 110型双喷电解抛光减薄仪：型双喷电解抛光减薄仪： 强大的双喷技术，能在数分钟内同时抛光样品的两面。 电解液成分、温度、流量、电压、喷射头数

13、量可分别可控。27二、薄膜制备工艺过程（二、薄膜制备工艺过程（8）（2）离子减薄法：）离子减薄法： 对不导电陶瓷或金属样经机械研磨、凹坑机械研磨、凹坑后，用离子减薄离子减薄。 离子减薄：离子减薄：物理法减薄。 用氩离子束在样品两侧以一定倾角（5o8o）轰击贱射样品，将试样表面层层剥去，最终使试样减薄到电子束可通过的厚度。28 离子减薄：离子减薄：适用于矿物、陶瓷、半导体及多相合金等电解抛光所不能减薄的场合。 离子减薄的效率较低，一般情况下4m/小时左右。但是离子减薄的质量高薄区大。 金属薄膜样：金属薄膜样：双喷电解抛双喷电解抛光离子减薄光离子减薄，观察效果会更好。 陶瓷样：陶瓷样：硬度高、耐腐蚀，离子减薄时间长（10h）。29离子减薄仪离子减薄仪美国 Gatan 公司Model-691 离子减薄仪电 压： 1KV-6KV离子束转角：10