CN107167485A - 一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其包括如下步骤：一，除去异质结薄膜样品表面的杂质；二，在样品的上端面设置一层金属导电膜；三，在金属导电膜上贴上一片铜片；四，把样品切割成片状的样品；五，对片状的样品进行研磨减薄；六，通过离子减薄仪把样品减薄出一个弧形凹槽；七，样品转移到原位测试芯片上；八，利用聚焦离子束仪对样品的待电性能测试的膜层界面及铜片分别和原位测试芯片上的电性能测试电极及通电电极进行Pt层焊接，并对铜片和金属导电膜进行Pt层焊接；九，对样品切割出一个用于断开金属导电膜的缺口。本发明能够方便原位测试芯片对异质薄膜的截面样品进行电性能测试且操作方便。

Description

一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法

技术领域

本发明涉及透射电镜原位加电的截面样品制备领域，特别涉及一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法。

背景技术

异质结薄膜样品的原位加电透射电镜实验是理解功能信息薄膜材料电调控机理的有效手段。通常异质结薄膜的膜层厚度在几个单胞到几十个纳米范围，开展该实验的难点是如何将事先制备好厚度仅为几十个纳米的透射电镜异质结薄膜的截面样品放入样品杆上并在特定的膜层上实现加电和电性能测量功能。

就透射电镜异质结薄膜的截面样品的制备而言，离子减薄技术(PIPS)和聚焦离子束(FIB)切割是现有的两种方法。离子减薄最终获得的透射电镜截面样品一般长和宽分别为2.5mm×1.5mm，厚度为20μm到10nm的楔形样品，离子减薄后可供透射电镜观察样品区域厚度较小且薄区面积较大。聚焦离子束切割和减薄后的透射电镜截面样品一般长和宽分别为20μm×5μm，厚度为20μm到几十个纳米厚的楔形样品，聚焦离子束减薄后可供透射电镜观察样品区域的厚度较离子减薄的大很多且薄区面积较小。

就在透射电镜截面样品的特定膜层上加电实验而言，常用的方法是将聚焦离子束切割或者离子减薄的截面样品放到特殊的原位加电样品杆上，样品杆内部与样品邻近且相对的是可以通过软件精确控制其移动且可以施加偏压的纳米锥形金属针尖，实验过程中当纳米锥形金属针尖与异质结薄膜样品的极化外层接触时通电，可实现异质结薄膜样品在通电过程中原子结构变化的原位观测。现在，一项申请号为CN201510476900.8的中国申请公开了一种透射电镜原位测试芯片，该芯片有四个电极，其中相对的两个电极分别用来加电和接地，另外两个侧电极用来测电性能的变化。芯片的形状和电极的设计思路是基于没有带偏压的纳米锥形金属针尖的特殊原位加电样品杆的情况下，也能进行异质结薄膜样品的原位加电实验，同时能够测量另外膜层之间电性能的变化情况，该芯片的设计也有效避免纳米锥形金属针尖加电对样品和电镜观察产生的负面影响。在该芯片上进行透射电镜异质结薄膜样品原位加电实验的大致方法如下：事先将截面样品中需要加电极化的膜层与芯片上其中一个金属电极相连接，异质结薄膜的基底与芯片接地电极相连，需要电性能测试的膜层界面与侧面的测试电极相连，然后在该加电电极上通电即可原位观察材料界面处原子结构、电子结构以及电性能的变化过程。目前，该原位测试芯片对纳米管或者纳米线的加电或电性能的透射电镜原位测量比较容易实现，然而在异质结薄膜上很难实现，原因是还不能找到一种有效的制样方法在透射电镜样品上实现加电功能。

目前，在使用带有纳米锥形金属针尖的特殊原位加电样品杆对异质结薄膜的截面样品进行透射电镜实验主要存在以下缺点：(1)只能进行原位加电实验，不能同时对异质结薄膜的截面样品界面的电性能进行测量；(2)实验过程中需要在电镜下反复精确对中纳米锥形金属针尖和异质结薄膜的截面样品，实验耗时；(3)纳米锥形金属针尖和异质结薄膜的截面样品接触的过程中，如果控制不当，很容易损伤异质结薄膜的截面样品；(4)纳米锥形金属针尖和异质结薄膜的截面样品之间的接触属于有应力的机械接触，因此对截面样品通电的过程中很难高分辨原子图像；(5)属于特殊配置的实验设备，普通实验室不易获得。

另外，利用常规的聚焦离子束切割、减薄并利用in-situ lift out工具将异质结薄膜的截面样品转移到透射电镜原位测试芯片上的常规方法对该类样品的原位电镜测试和表征还存在以下难点：(1)聚焦离子束切割样品获得的厚度一般为几十个纳米，很难对截面样品的微结构进行精细表征；(2)如果截面样品减得过薄，很容易破坏样品最外层极化金属膜电极以及需要测试电性能的导电界面；(3)可进行原位观察的区域面积小；(4)截面样品在转移过程中需要旋转90度后放到原位测试芯片的特定位置，这一操作过程中如果芯片与截面样品存在即使很小的角度，也很难用聚焦离子束中的Pt沉积进行截面样品与芯片焊接；(5)由于每个膜层的厚度很小(都是在20nm以内)，异质薄膜的截面样品与芯片对接时很难保证只有样品的最外层极化金属膜与芯片的加电电极接触；(6)制样成功率不高。

因此，现有的对异质结薄膜的截面样品进行透射电镜实验中，由于需要使用带有纳米锥形金属针尖的特殊原位加电样品杆，从而导致不能同时对异质结薄膜的截面样品界面的电性能进行测试且操作难度大。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，从而克服现有的对异质结薄膜的截面样品进行透射电镜实验因需要使用带有纳米锥形金属针尖的特殊原位加电样品杆而导致不能同时对异质结薄膜的截面样品界面的电性能进行测试且操作难度大的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其中，包括如下步骤：步骤一，除去异质结薄膜样品表面的杂质；步骤二，以异质结薄膜样品的靠近其待电性能测试的膜层界面的端面为上端面，在异质结薄膜样品的上端面设置一层金属导电膜；步骤三，在金属导电膜上贴上一片铜片；步骤四，把经步骤三处理后的异质结薄膜样品从铜片面至下端面进行切割，以得到片状的异质结薄膜样品；步骤五，通过样品研磨器把经步骤四处理后得到的片状的异质结薄膜样品进行研磨减薄，使片状的异质结薄膜样品的厚度小于10μm；步骤六，通过离子减薄仪的夹具把经步骤五处理后的异质结薄膜样品和环形载网夹紧在一起；然后通过离子减薄仪的离子束把异质结薄膜样品从下端面的中部减薄出一个弧形凹槽，弧形凹槽的最低点与金属导电膜之间的距离达到透射电镜观察的厚度要求；步骤七，把经步骤六处理后的异质结薄膜样品转移到原位测试芯片上，在光学显微镜下调整异质结薄膜样品的位置，使异质结薄膜样品的待电性能测试的膜层界面和铜片分别与放置于原位测试芯片上的电性能测试电极和通电电极对应；步骤八，利用聚焦离子束仪中的金属Pt沉积功能，对异质结薄膜样品中的待电性能测试的膜层界面和原位测试芯片上的电性能测试电极进行Pt层焊接，对异质结薄膜样品中的铜片与原位测试芯片上的通电电极进行Pt层焊接，并对异质结薄膜样品中的铜片和金属导电膜进行Pt层焊接；以及步骤九，利用聚焦离子束仪的切割功能对经步骤八处理后的异质结薄膜样品从上端面向下切割出一个缺口，金属导电膜被缺口断开成两部分，从而得到异质结薄膜的原位加电截面样品。

优选地，上述技术方案中，在步骤一中，通过将异质结薄膜样品放入含有乙醇的培养皿中清洗2-3次来除去异质结薄膜样品表面的杂质。

优选地，上述技术方案中，在步骤二中，利用磁控溅射仪在异质结薄膜样品的上端面沉积一层80～110nm厚的金属导电膜。

优选地，上述技术方案中，在步骤三中，先用G-1胶或者M-bond胶将铜片粘贴到异质结薄膜样品的金属导电膜上，金属导电膜与铜片之间的胶层厚度为80～110nm；然后，把异质结薄膜样品放到100～140℃的恒温加热台上加热至少2h，以使胶层凝冻。

优选地，上述技术方案中，在步骤四中，用金刚石切割机把经步骤三处理后的异质结薄膜样品切割成厚度为0.7～1mm的片状的异质结薄膜样品。

优选地，上述技术方案中，在步骤五中，先把样品研磨器的玻璃柱放到温度为100～140℃的恒温加热台上加热1.5～3min；然后把片状的异质结薄膜样品和一个厚度为0.3～0.6mm的硅片通过石蜡粘在玻璃柱的上端面；接着用金刚石砂纸对异质结薄膜样品和硅片的厚度一起进行减薄，直到硅片在光学显微镜下透红光；最后将粘有异质结薄膜样品的玻璃柱放到底部覆盖滤纸且装有丙酮溶液的培养皿中，并静置到异质结薄膜样品从玻璃柱上脱落下来。

优选地，上述技术方案中，在步骤六中，先将环形载网放到离子减薄仪的夹具的凹槽处，然后将经步骤五处理后的异质结薄膜样品移到环形载网上由夹具夹紧，并使异质结薄膜样品的铜片面与夹具的左右臂平行；接着将带有异质结薄膜样品的夹具按照夹具左右臂与离子减薄仪左右平行的关系放入离子减薄仪中，离子减薄仪的离子枪通过离子束在异质结薄膜样品的下端面的中部减薄出弧形凹槽。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过在异质结薄膜样品上设置金属导电膜和铜片，其不需要使用带有纳米锥形金属针尖的特殊原位加电样品杆，从而能够方便原位测试芯片对异质薄膜的截面样品进行电性能测试，测试过程操作方便。而且本发明获得的截面样品可供电镜观察的区域面积大、质量好、不易损伤截面样品，其制样过程简单且成功率高。

附图说明

图1是根据本发明异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法的流程图。

图2是根据本发明的异质结薄膜样品上设有金属导电膜和铜片后的结构示意图。

图3是根据本发明的片状异质结薄膜样品的结构示意图。

图4是根据本发明的片状异质结薄膜样品和硅片贴在玻璃柱的上端面的结构示意图。

主要附图标记说明：

1-异质结薄膜样品，2-待电性能测试的膜层界面，3-金属导电膜，4-铜片，5-玻璃柱，6-硅片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1至图4显示了根据本发明优选实施方式的一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法的结构示意图，该异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法包括如下步骤：

步骤一，参考图1，制造一个长方体状的异质结薄膜样品1，除去异质结薄膜样品1的表面的杂质，以对异质结薄膜样品1清洁干净。优选地，本发明通过将异质结薄膜样品1放入含有乙醇的培养皿中清洗2-3次来除去异质结薄膜样品1的表面的杂质。

步骤二，继续参考图1，以异质结薄膜样品1的靠近其待电性能测试的膜层界面2的端面为上端面，在经步骤一处理后的异质结薄膜样品1的上端面设置一层金属导电膜3。优选地，本发明利用磁控溅射仪在异质结薄膜样品1的上端面沉积一层80～110nm厚的金属导电膜3。金属导电膜3最后在原位透射电镜试验时充当电极化后的异质结薄膜样品1的电极。

步骤三，继续参考图1，在经步骤二处理后的异质结薄膜样品1的金属导电膜3上贴上一片铜片4。铜片的面种与金属导电膜3的面积相近，且铜片4的厚度为0.3～0.6mm，同样需要用乙醇将铜片4表面清洁干净后再贴到金属导电膜3上。本发明优选地，先用G-1胶或者M-bond胶将铜片4粘贴到异质结薄膜样品1的金属导电膜3上，金属导电膜3与铜片4之间的胶层厚度为80～110nm；然后，把粘贴有铜片4的异质结薄膜样品1放到100～140℃的恒温加热台上加热至少2h，以使胶层凝冻。

步骤四，参考图2，把经步骤三处理后的异质结薄膜样品1从铜片4的表面至下端面进行切割，以得到片状的异质结薄膜样品1，使得片状的异质结薄膜样品1上仍然具有金属导电膜3和铜片4。本发明优选地，用金刚石切割机把经步骤三处理后的异质结薄膜样品1切割成长度为2.5mm，厚度为0.7～1mm的片状的异质结薄膜样品1。

步骤五，通过样品研磨器把经步骤四处理后得到的片状的异质结薄膜样品1进行研磨减薄，使片状的异质结薄膜样品1的厚度小于10μm。优选地，本发明先把样品研磨器的玻璃柱5放到温度为100～140℃的恒温加热台上加热1.5～3min；然后把经步骤四处理后的片状的异质结薄膜样品1和一个厚度为0.3～0.6mm的硅片6通过石蜡粘在玻璃柱5的上端面，硅片6可以在步骤四中通过金刚石切割机对硅块进行切割得到，硅片的规格可以为2.5mm×0.5mm×0.5mm。接着把带有异质结薄膜样品1和硅片6的玻璃柱5从加热台上取下放置于冷却台上至其温度降到室温后，用不同的金刚石砂纸对异质结薄膜样品1和硅片6的厚度一起进行减薄，直到硅片6在光学显微镜下透红光，此时样品的厚度也在10μm以内。通过硅片6作为参考，能够方便知道异质结薄膜样品1的厚度是否小于10μm。最后，由于石蜡能溶解在丙酮溶液中，将粘有异质结薄膜样品1的玻璃柱5放到底部覆盖滤纸且装有丙酮溶液的培养皿中，并静置30分钟左右异质结薄膜样品1便会从玻璃柱5上脱落下来，取出异质结薄膜样品1，便完成对出异质结薄膜样品1的减薄。

步骤六，通过离子减薄仪的夹具把经步骤五处理后的异质结薄膜样品1和环形载网夹紧在一起；然后通过离子减薄仪的离子束把异质结薄膜样品从下端面的中部减薄出一个弧形凹槽，弧形凹槽的最低点与金属导电膜3之间的距离达到透射电镜观察的厚度要求，此时弧形凹槽的最低点靠近于金属导电膜3，同时需要保证待测电性能的薄膜界面2、金属导电膜3、铜片4以及金属导电膜3和铜片4之间的胶层仍然完好。优选地，本发明先将环形载网放到离子减薄仪的夹具的凹槽处，然后将经步骤五处理后的异质结薄膜样品1移到环形载网上由夹具夹紧，并使异质结薄膜样品1的铜片4的表面与夹具的左右臂平行；接着将带有异质结薄膜样品1的夹具按照夹具左右臂与离子减薄仪左右侧壁平行的关系放入离子减薄仪中，异质结薄膜样品1的下端面位于远离离子减薄枪的一侧，设置离子减薄仪为singlemodulation模式，左右离子减薄枪的角度为±4度，根据异质结薄膜样品1减薄的程度，逐渐将离子减薄枪的加速电压从4kV逐步降低到0.1kV，从而由离子减薄仪的离子减薄枪通过离子束在异质结薄膜样品1的下端面的中部减薄出弧形凹槽，减薄完成后把异质结薄膜样品1从离子减薄仪中取出来，由于异质结薄膜样品1与环形载网之间没有粘结，故可以直接取出异质结薄膜样品1。

步骤七，把经步骤六处理后的异质结薄膜样品1转移到原位测试芯片上，在光学显微镜下调整异质结薄膜样品1的位置，使异质结薄膜样品的待电性能测试的膜层界面2和铜片4分别与放置于透射电镜的原位测试芯片上的电性能测试电极和通电电极对应。本发明的异质结薄膜样品1的尺度在毫米级别，可直接在光学显微镜下把异质结薄膜样品1转移到原位测试芯片上，克服了异质结薄膜样品1的聚焦离子束制样过程中样品转移到原位测试芯片过程的难题。

步骤八，将带有异质结薄膜样品1的透射电镜的原位测试芯片放入聚焦离子束仪中，利用聚焦离子束仪中的金属Pt沉积功能，对异质结薄膜样品1中的待电性能测试的膜层界面2和原位测试芯片上的电性能测试电极进行Pt层焊接，对异质结薄膜样品1中的铜片4与原位测试芯片上的通电电极进行Pt层焊接，并对异质结薄膜样品1中的铜片4和金属导电膜3进行Pt层焊接，从而保证各部分之间的接触良好，并保证与原位测试芯片相连接的铜片4的电压能够传导到金属导电膜中。

步骤九，利用聚焦离子束仪的切割功能对经步骤八处理后的异质结薄膜样品从上端面向下切割出一个缺口，金属导电膜3被缺口断开成两部分，使得金属导电膜3被分成的两部分互不通电的开路，以至于不影响薄膜样品导电界面的电性能测量，从而得到异质结薄膜的原位加电截面样品。缺口需要尽量避开弧形凹槽，缺口在电性能测试电极与弧形凹槽的中间且靠近电极一侧较好，以防止切割缺口时容易损伤待电性能测试的膜层界面2。

本发明通过在异质结薄膜样品1上设置金属导电膜3和铜片4，其不需要使用带有纳米锥形金属针尖的特殊原位加电样品杆，从而能够方便原位测试芯片对异质薄膜的截面样品进行电性能测试，测试过程操作方便。而且本发明获得的截面样品可供电镜观察的区域面积大、质量好、不易损伤截面样品，其制样过程简单且成功率高。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，除去异质结薄膜样品表面的杂质；

步骤二，以异质结薄膜样品的靠近其待电性能测试的膜层界面的端面为上端面，在异质结薄膜样品的上端面设置一层金属导电膜；

步骤三，在金属导电膜上贴上一片铜片；

步骤四，把经步骤三处理后的异质结薄膜样品从铜片面至下端面进行切割，以得到片状的异质结薄膜样品；

步骤五，通过样品研磨器把经步骤四处理后得到的片状的异质结薄膜样品进行研磨减薄，使片状的异质结薄膜样品的厚度小于10μm；

步骤六，通过离子减薄仪的夹具把经步骤五处理后的异质结薄膜样品和环形载网夹紧在一起；然后通过离子减薄仪的离子束把异质结薄膜样品从下端面的中部减薄出一个弧形凹槽，弧形凹槽的最低点与金属导电膜之间的距离达到透射电镜观察的厚度要求；

步骤七，把经步骤六处理后的异质结薄膜样品转移到原位测试芯片上，在光学显微镜下调整异质结薄膜样品的位置，使异质结薄膜样品的待电性能测试的膜层界面和铜片分别与放置于原位测试芯片上的电性能测试电极和通电电极对应；

步骤八，利用聚焦离子束仪中的金属Pt沉积功能，对异质结薄膜样品中的待电性能测试的膜层界面和原位测试芯片上的电性能测试电极进行Pt层焊接，对异质结薄膜样品中的铜片与原位测试芯片上的通电电极进行Pt层焊接，并对异质结薄膜样品中的铜片和金属导电膜进行Pt层焊接；以及

步骤九，利用聚焦离子束仪的切割功能对经步骤八处理后的异质结薄膜样品从铜片面向下切割出一个缺口，金属导电膜被缺口断开成两部分，从而得到异质结薄膜的原位加电截面样品。

2.根据权利要求1所述的异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其特征在于，在步骤一中，通过将异质结薄膜样品放入含有乙醇的培养皿中清洗2-3次来除去异质结薄膜样品表面的杂质。

3.根据权利要求1所述的异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其特征在于，在步骤二中，利用磁控溅射仪在异质结薄膜样品的上端面沉积一层80～110nm厚的金属导电膜。

4.根据权利要求1所述的异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其特征在于，在步骤三中，先用G-1胶或者M-bond胶将铜片粘贴到异质结薄膜样品的金属导电膜上，金属导电膜与铜片之间的胶层厚度为80～110nm；然后，把异质结薄膜样品放到100～140℃的恒温加热台上加热至少2h，以使胶层凝冻。

5.根据权利要求1所述的异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其特征在于，在步骤四中，用金刚石切割机把经步骤三处理后的异质结薄膜样品切割成厚度为0.7～1mm的片状的异质结薄膜样品。

6.根据权利要求5所述的异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其特征在于，在步骤五中，先把样品研磨器的玻璃柱放到温度为100～140℃的恒温加热台上加热1.5～3min；然后把片状的异质结薄膜样品和一个厚度为0.3～0.6mm的硅片通过石蜡粘在玻璃柱的上端面；接着用金刚石砂纸对异质结薄膜样品和硅片的厚度一起进行减薄，直到硅片在光学显微镜下透红光；最后将粘有异质结薄膜样品的玻璃柱放到底部覆盖滤纸且装有丙酮溶液的培养皿中，并静置到异质结薄膜样品从玻璃柱上脱落下来。

7.根据权利要求1所述的异质结薄膜的原位加电透射电镜截面样品的制备方法，其特征在于，在步骤六中，先将环形载网放到离子减薄仪的夹具的凹槽处，然后将经步骤五处理后的异质结薄膜样品移到环形载网上由夹具夹紧，并使异质结薄膜样品的铜片面与夹具的左右臂平行；接着将带有异质结薄膜样品的夹具按照夹具左右臂与离子减薄仪左右平行的关系放入离子减薄仪中，离子减薄仪的离子枪通过离子束在异质结薄膜样品的下端面的中部减薄出弧形凹槽。