陳小平，鄧小娟

(天津大學(xué) 分析測試中心，天津 300072)

電子顯微鏡(包括掃描電鏡、透射電鏡等)是一類大型分析儀器，目前在材料學(xué)、化學(xué)、化工、藥學(xué)、生物學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到日益廣泛應(yīng)用[1-8].為了得到高質(zhì)量的形貌或元素分析結(jié)果，電鏡樣品的制備至關(guān)重要.離子減薄制樣儀又稱離子薄化儀或離子束處理系統(tǒng)，它是透射電鏡(TEM)及掃描電鏡(SEM)觀測金屬、陶瓷等物質(zhì)理想的不可或缺的制樣工具[9-11].當(dāng)代離子減薄制樣系統(tǒng)由于引入了計算機(jī)自動控制系統(tǒng)，相比早期純機(jī)電或半自動減薄儀有了質(zhì)的飛躍.它減薄操控更為精準(zhǔn)，有圖像監(jiān)視、電流電壓、真空度、減薄速率和槍角度調(diào)整等多項(xiàng)全自動設(shè)定，操控更加直觀方便.但同時由于在世界范圍內(nèi)該產(chǎn)品生產(chǎn)廠家很少，具有技術(shù)壟斷性，零配件補(bǔ)充有困難且周期長.又因新技術(shù)的不斷加入，目前,儀器單臺價格已接近百萬.因此，在使用當(dāng)中除了精心操作和維護(hù)外，還要善于發(fā)現(xiàn)其不足之處，并在條件允許情況下予以一定的改造，彌補(bǔ)廠家設(shè)計的不足，延長其使用壽命，進(jìn)一步提升良好的使用效果[12].

1 離子減薄制樣儀的基本工作原理

現(xiàn)代離子減薄制樣儀雖然應(yīng)用了昂貴的專用計算機(jī)自動控制系統(tǒng)和更加精密的元器件，使操控更加精準(zhǔn)便捷，自動化程度頗高，但其最基本的減薄加工原理并未改變.即通過啟動自身帶有的真空系統(tǒng)，將工作艙的真空值控制穩(wěn)定在5×10-6Pa的高真空環(huán)境下，給離子槍充入一定壓力值的高純氬氣，加上高電壓，其氬氣可電離起輝(弧)的電壓范圍控制在800 V～10 KV之間，電流在5 mA以內(nèi).此時高純氬氣在離子槍內(nèi)被高電壓電離并加速形成高能量的氬離子束流，對需要減薄樣品的表面以某一設(shè)定入射角度連續(xù)不斷轟擊，當(dāng)氬離子束流的轟擊能量大于樣品材料表面原子的結(jié)合能時，其樣品表面原子受到氬離子擊發(fā)而引發(fā)濺射.通過這種連續(xù)不斷的轟擊、濺射、研磨減薄的過程，從而獲得適合透射電子顯微鏡觀測的薄膜樣品，減薄后的薄膜厚度范圍可以達(dá)到幾納米至幾百納米.目前，我們利用離子減薄制樣儀所制備的透射電鏡及掃描電鏡樣品不僅能滿足制備金屬、非金屬的一般要求，同時也能滿足多相組織、多孔組織、半導(dǎo)體等材料的樣品制備需求，例如陶瓷、礦石、硅等，還適用于超高分辨技術(shù)分析應(yīng)用[13-16].

由于離子減薄技術(shù)的應(yīng)用，擴(kuò)大了透射電鏡技術(shù)的應(yīng)用范圍，即可在電鏡顯微研究中，制作最終觀察面，又可實(shí)現(xiàn)大面積轟擊研磨或疊層轟擊研磨.在金相學(xué)中，通過離子束對樣品表面金相組織選擇性減薄、清潔與拋光，就可得到適合掃描電鏡觀察的表面微觀結(jié)構(gòu)相.

2 儀器使用中存在的問題

在長期使用離子減薄制樣儀制備樣品過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備工作時離子槍射向被減薄樣品的氬離子束(流)，是由離子槍前端直徑約2 mm槍口(孔)射出，由于在槍內(nèi)充入了一定壓力值的高純氬氣，加上高電壓電離而起輝，在氣壓的作用下將產(chǎn)生的氬離子束流以某一設(shè)定角度射向距槍口約2.5 cm的樣品靶(如圖1所示)，而且兩個離子槍可以同時工作，在樣品的正反面相對轟擊樣品，即雙面同時減薄，以加大樣品薄區(qū)范圍及減薄速率.

圖1 離子槍減薄樣品工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample thinning by ion gun

圖2 離子減薄樣品與樣品夾位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample and sample holder of ion beam thinner

由圖2可以看出，無論什么年代生產(chǎn)的減薄制樣儀，所有被減薄的樣品均是將樣品夾合在樣品夾具的中央，樣品夾是由兩片厚度為0.1 mm的普通不銹鋼片組成.離子束是射向雙層樣品夾具中央的孔洞，打在樣品暴露出的部分.經(jīng)過高壓電離的氬離子束流，在氣壓的作用下具有一定的聚焦作用，射向樣品時，中心的能量及密度較大，從而能夠?qū)崿F(xiàn)樣品減薄至穿孔而獲得薄膜樣品.

但在長期減薄制樣過程中，發(fā)現(xiàn)從離子槍口射出的帶有光和熱的氬離子束流，并不是按照槍口直徑(2 mm)形成柱狀直線打在樣品上，而是束流到達(dá)樣品及樣品夾時已經(jīng)發(fā)生了散射現(xiàn)象，或用形象的描述其氣流是錐形或傘形的.從轟擊的效果來看即束流的中心能量及密度最大(能使樣品穿孔)，環(huán)繞樣品的周邊呈能量逐漸減弱的現(xiàn)象.這種現(xiàn)象可以從樣品夾被減薄后的照片中看到(如圖3所示)，也就是說離子槍射向樣品的氬離子束流發(fā)生了散射現(xiàn)象，不單減薄了樣品，同時也減薄了樣品夾，其后果是樣品夾也變成了被同時減薄的靶材或稱消耗品.

圖3 樣品夾被減薄后的照片F(xiàn)ig.3 Photo of sample holder being thinned

數(shù)十年來，離子減薄制樣儀雖經(jīng)各廠家多次改進(jìn)換代，但樣品夾具的材質(zhì)始終不變，即只提供普通不銹鋼材質(zhì)樣品夾.不銹鋼材質(zhì)樣品夾的壽命長短由減薄時所使用的電壓決定，一般累計使用幾十小時不等，如常用設(shè)定電壓6 KV，樣品夾可使用約80 h左右.對廠家提供的樣品夾材質(zhì)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示.由圖4(b)可見，元素含量重量百分比統(tǒng)計為：Cr 15.89%，F(xiàn)e 73.74%，Ni 10.36%，其硬度及耐磨性能常常遠(yuǎn)低于某些被減薄樣品本身的材質(zhì)硬度，如碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高速鋼等.如果樣品本身是硬質(zhì)合金材料或陶瓷，則需要更長時間的減薄過程，其樣品夾也隨之被長時間減薄.

圖4 樣品夾SEM形貌及能譜分析圖(a) 普通不銹鋼SEM形貌圖，(b) 普通不銹鋼能譜分析圖 ，(c) 鉬金屬SEM形貌圖，(d) 鉬金屬能譜分析圖Fig.4 SEM surface topography and energy dispersive spectrum analysis of sample holder (a) SEM surface topography of ordinary stainless steel, (b) energy dispersive spectrum analysis of ordinary stainless steel; (c) SEM surface topography of molybdenum metal, (d) energy dispersive spectrum analysis of molybdenum metal

由于樣品夾是普通不銹鋼材料，被減薄的面積與減薄速率總體上要遠(yuǎn)超過樣品夾中心部位的樣品本身，減下的粉塵被吸付在真空工作艙內(nèi)壁(如圖5所示)及各個重要機(jī)構(gòu)部件上，其后果常常會造成離子槍高壓短路，樣品自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)卡滯，攝像燈光系統(tǒng)的嚴(yán)重污染，更嚴(yán)重的會造成被減薄樣品間的碎屑相互污染，影響了樣品材料本身各元素及含量的真實(shí)性.這種吸附于機(jī)件上的金屬碎屑沉積污染很難清除，沉積過厚還時有崩落，目前為止廠家也不能提供有效的解決方案.

圖5 長期減薄工作后真空艙內(nèi)部污染情況照片F(xiàn)ig.5 Photo of vacuum work cabin after thinning

由于樣品夾的面積要遠(yuǎn)大于樣品本身，加上離子槍射出的束流到達(dá)樣品時是散射的，故有很大部分轟擊能量打在了樣品夾上，被減薄后的樣品夾金屬碎屑量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被減薄樣品本身的碎屑量.如果上下相對的兩個離子槍同時工作，則轟擊的總面積及碎屑量還要增加一倍.由此可見真空艙內(nèi)部的大量污染主要來源于此.這種現(xiàn)象大大縮短了離子槍和其他重要部件的壽命，也大大增加了維護(hù)維修的頻次及工作量.

此外，普通不銹鋼材質(zhì)樣品夾的壽命較短.因其由上下兩片組成，其單片的厚度只有0.1 mm(設(shè)計如此之薄是能以最小角度對樣品轟擊)，中間露出樣品的小孔直徑為2 mm，小孔的邊緣由于隨樣品一同被減薄(見圖6樣品孔邊緣被薄化情況)，并逐

圖6 普通不銹鋼樣品夾照片(a)新樣品夾，(b)使用后樣品夾Fig.6 Photos of ordinary stainless steel sample holder(a)new sample holder, (b)used sample holder

漸擴(kuò)大和產(chǎn)生應(yīng)力變形，會出現(xiàn)加工過程中失去彈性夾不住樣品或邊緣被減掉而使樣品掉入真空艙的情況.工作艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，如此小的樣品很難尋回，使整個制樣工作前功盡棄.因此，為了最大程度的減少離子槍及重要部件的維修次數(shù)和維護(hù)成本，保證儀器真空艙持久高真空度，保證需長時間減薄樣品的安全可靠性，減少大量碎屑粉塵污染，延長離子槍及儀器整體壽命，需要尋找一種加工容易、成本相對低廉且耐轟擊減薄的金屬材料替代原有的普通不銹鋼樣品夾.

3 尋找新型樣品夾材料

我們選定使用鉬金屬材料制作樣品夾，對其進(jìn)行能譜分析，如圖4所示.由圖4(d)可見，元素含量重量百分比統(tǒng)計為：Mo 100%.選用鉬金屬超薄板材經(jīng)過精細(xì)加工制作的樣品夾成品具有如下特性：(1)單片厚度仍為0.1 mm，上下兩片共0.2 mm.樣品夾中間所夾樣品的厚度可加工成20 μm以下.極薄的樣品夾板材厚度可以保證離子束以最小的角度轟擊樣品，以增大樣品的薄區(qū)面積.(2)鉬金屬具有更好的導(dǎo)熱和較低的膨脹系數(shù)，即使在1 100～1 650 ℃溫度區(qū)間也有很好的強(qiáng)度和機(jī)械穩(wěn)定性，這一點(diǎn)非常重要，即不會因?yàn)殚L時間在高溫下減薄樣品，而導(dǎo)致樣品夾產(chǎn)生熱漲應(yīng)力，從而出現(xiàn)夾不住樣品的情況.(3)鉬金屬的高延展性和韌性使其對缺陷和脆性的容限比陶瓷還要高.(4)由于鉬金屬樣品夾選材極薄，故不宜采用磨具沖壓的制作方式，為保證尺寸精度，我們采用了蝕刻的方法.加工制成的樣品夾尺寸精準(zhǔn)，邊緣光滑無毛刺，其各項(xiàng)性能要大大優(yōu)于隨機(jī)產(chǎn)品.

4 鉬金屬樣品夾的使用效果

新材料樣品夾經(jīng)過六個月的使用，共減薄各類樣品36個，累計減薄時間180 h，其樣品夾被氬離子束轟擊破壞的程度遠(yuǎn)低于普通不銹鋼樣品夾(如圖7所示)，說明新材料樣品夾的使用壽命有所延長，同時大大減少了金屬粉塵與碎屑對真空艙及其它重要零部件的污染及樣品間的碎屑相互污染.原不銹鋼樣品夾為每減薄16～18個樣品時，其樣品夾夾住樣品的孔邊緣就會發(fā)生不規(guī)則的毛邊、變形，甚至樣品孔擴(kuò)大，致使樣品夾合力下降，樣品會發(fā)生移動，甚至有掉入真空艙的危險(因?yàn)闃悠吩跍p薄時其樣品夾本身始終處在自轉(zhuǎn)運(yùn)動的狀態(tài)).

圖7 鉬金屬樣品夾照片(a) 新樣品夾，(b) 使用后樣品夾Fig.7 Photos of molybdenum metal sample holder(a)new sample holder, (b) used sample holder

5 結(jié)論

鉬金屬材料的應(yīng)用延長了樣品夾使用及離子槍等各重要部件的壽命，減少了工作艙的污染及樣品間的碎屑相互污染，提高了減薄樣品的質(zhì)量及其微觀結(jié)構(gòu)、元素的真實(shí)性.由于當(dāng)代高技術(shù)大型分析儀器均價值不菲，通過我們精心使用與維護(hù)并善于發(fā)現(xiàn)與彌補(bǔ)其原設(shè)計的不足，并以科學(xué)的態(tài)度和方法對其進(jìn)行合理的改造，使其工作效率更高，壽命更長.