CN107621471A - 微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法,属于纳米孪晶的透射电镜原位力学测试领域。采用宏‑微‑纳一体化金刚石刀具,每个刀尖的曲率半径为40‑90nm,刀尖的高度为100‑300μm,刀尖形成阵列,布满刀具表面。用金刚石刀具压印合金表面,化学机械抛光方法加工压印表面,抛光后合金表面粗糙度Ra为0.5‑0.9nm。用带有聚焦离子束的扫描电镜,原位切割、粘接、转移和离子减薄,样品长度为5‑20μm,高度为4‑10μm,厚度50‑100nm。用位移控制模式,最大位移为200‑1000nm,加载速度10‑30nm/s。本发明实现了单个纳米孪晶透射电镜原位纳米压痕方法。
Description
技术领域
本发明属于透射电镜原位力学测试技术领域,涉及纳米材料的原位力学测试领域,特别涉及纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕测试领域,具体提供了一种微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法。
背景技术
2004年,《Science》报道了纳米孪晶铜拉伸强度是粗晶铜的10倍,并且保持塑性和电学性能,随后2009年《Science》,2010年《Nature》报道了纳米孪晶铜的最高拉伸强度,《Nature》于2013和2014年报道了纳米孪晶立方氮化硼和纳米孪晶金刚石。因此,纳米孪晶材料成为力学、物理、材料、先进制造等领域的国际前沿和研究热点。纳米孪晶材料由纳米孪晶组成,然而单个纳米孪晶的纳米尺度变形机制这个科学问题尚不知晓,使得设计制造高性能纳米孪晶材料及表面的新的超精密加工工艺与装备的研制受到限制。
现有的纳米孪晶制造方法主要是脉沉沉积法、磁控溅射法、表面机械研磨法和动态塑性变形法。这四种方法主要是采用有毒的化工试剂或者极端条件制造纳米孪晶。具有代表性的纳米孪晶制造方法是脉冲沉积法,这种方法制造的纳米孪晶是由尺寸为几百纳米的多晶组成,多晶内含有高密度的纳米孪晶。由于受到透射电镜原位力学测试方法及仪器的限制,要求测试样品的长度和高度为几个微米,含有等长的单个纳米孪晶,这种样品从目前的四种方法难以获得。
透射电镜原位纳米力学是研究纳米孪晶的纳米尺度变形的有效方法,但是目前的研究方法主要集中于单质元素的拉伸、压缩和弯曲,少有合金的透射电镜原位纳米力学的报道。
透射电镜纳米压痕,通常采用曲率半径为几十纳米的针尖,压入厚度为纳米尺度的样品,样品厚了,电子束无法透射,样品薄了,纳米尺度的金刚石针尖难以压到样品,而且操作的时候视线是垂直于压入方向的,因此操作难度极大。导致微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法难以实现。
发明内容
本发明的目的是在透射电镜中实现含有单个纳米孪晶的样品的原位纳米压痕测试方法。
本发明的技术方案:
一种微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法,在透射电镜中实现含有单个纳米孪晶的样品的原位纳米压痕测试方法,步骤如下:
(1)制作宏-微-纳一体化金刚石刀具,每个刀尖的曲率半径为40-90nm,刀尖的高度为100-300μm,刀尖之间的距离为300-600μm,刀尖形成阵列,布满刀具表面,刀具的长和宽为5-9mm,厚度为1-2mm;
(2)先用金刚石刀具压印合金样品表面,形成纳米孪晶化表面;接着用化学机械抛光方法抛光压印表面,抛光后合金表面粗糙度Ra为0.5-0.9nm;
(3)将合金样品放入带有聚焦离子束的扫描电镜中,选择长度为5-20μm、高度为4-10μm、厚度50-100nm的合金样品,且含有等长单个纳米孪晶的区域,孪晶的厚度为50-100nm,确定后在扫面电镜中原位表征、切割、粘接、转移和离子减薄,制备成透射电镜原位压痕样品;
(4)在透射电镜中,通过样品杆上的三棱锥金刚石针尖,针尖曲率半径为40-80nm,进行含有单个纳米孪晶的样品的原位纳米压痕测试;
(5)用位移控制模式,加载位移为200-1000nm,加载速度10-30nm/s,摄制合金样品的微观结构变化及输出载荷-位移曲线。
当加载位移为270-300nm时,含有单个纳米孪晶的合金样品刚度是原合金样品的10倍,硬度是原合金样品的1.5-2倍。
本发明的有益效果:实现了单个纳米孪晶透射电镜原位纳米压痕方法。
采用宏-微-纳一体化金刚石刀具,每个刀尖的曲率半径为40-90nm,刀尖的高度为100-300μm,刀尖之间的距离为300-600μm,刀尖形成阵列,布满刀具表面,刀具的长和宽为5-9mm,厚度为1-2mm。这种宏-微-纳一体化刀具,是一种表面含有微米级针尖的阵列刀具,可以获得均匀的纳米孪晶表面。而在一个局部的压痕区域内,压印的纳米孪晶表面凹坑中心的孪晶密度最高,金刚石针尖的侧面实施剪应力,可以获得不同纳米孪晶密度的凹坑斜面,因此能够获得微米样品中含有等长单个纳米孪晶的样品,为透射电镜的单个纳米孪晶纳米压痕方法提供样品。
用金刚石刀具压印合金表面,采用固结磨料研磨-化学机械抛光方法加工压印表面,抛光后合金表面粗糙度Ra为0.5-0.9nm。固结磨料研磨可以提高磨料的利用率,保证面形精度。随后的化学机械抛光使得表面粗糙度达到亚纳米级,可以去除亚微米级及纳米级划痕,便于在扫描电镜中找到纳米孪晶界,从而获得微米孪晶含有等长单个纳米孪晶样品。
用带有聚焦离子束的扫描电镜,选择长度为5-20μm,含有等长单个纳米孪晶的区域,孪晶的厚度为50-100nm,原位切割、粘接、转移和离子减薄,制备透射电镜原位压痕样品。用带有聚焦离子束的扫描电镜观察抛光后的纳米孪晶表面,选择微米长度含有等长单个纳米孪晶的区域,用聚焦离子束进行原位切割、表征、焊接、转移,然后进行离子减薄,制备成透射电镜微米样品含有等长单个纳米孪晶的样品。
样品长度为5-20μm,高度为4-10μm,厚度50-100nm。由于受到透射电镜纳米压痕针尖、仪器尺寸和方法的限制,要求样品长度和宽度为微米级。样品厚度要在纳米级,样品厚了,电子无法透射,也就无法成像,无法看到受力变形的纳米尺度的显微结构的变化。透射电镜压痕操作是难度极大的操作方法,视线方向是垂直于压入方向的,因此需要极高的操作技巧。在透射电镜中用曲率半径几十纳米的针尖压到纳米厚度的样品上,样品薄了,难以压到样品,样品厚了,电子无法透射,因此操作难度极大,选择样品的长、宽为微米级,厚度为纳米级。
在透射电镜中,通过样品杆上的三棱锥金刚石针尖,针尖曲率半径为40-80nm,进行含有单个纳米孪晶的样品的原位纳米压痕测试。安装于样品杆上的金刚石针尖,通过压电陶瓷驱动,可以实现纳米尺度的精确位移,以及采用μN量级的力学信号。针尖的曲率半径为40-80nm,对于表征样品的纳米尺度变形更为有利。
用位移控制模式,最大位移为200-1000nm,加载速度10-30nm/s,摄制样品的微观结构变化及输出载荷-位移曲线。样品尺寸长宽是微米级,为了压到微米样品中的等长单个纳米孪晶,需要采用位移控制模式。由于样品尺寸的限制,选择合适的最大位移。位移大了,会压坏样品,卸载曲线就无法获得,位移小了,压不到单个纳米孪晶。加载速度也要合适,速度高了,成像和加载卸载曲线都难以同步采集,导致无法成像和获得压痕曲线;速度低了,由于是透射电镜成像,图像会发生漂移,并且容易受到环境及噪音扰动,难以成像和获得压痕曲线。
在加载位移为270-300nm时,含有单个纳米孪晶的合金样品刚度是原样品的10倍。当加载的应变场到达单个纳米孪晶时,孪晶对位错起到阻碍作用,位错难以穿越孪晶,因此应变场回弹以及向两侧转移,导致含有单个纳米孪晶的合金刚度为原合金的10倍。
含有单个纳米孪晶的合金样品的硬度是原样品的1.5-2倍。由于单个纳米孪晶对位错的阻碍运动,使得含有单个纳米孪晶的样品的硬度是原样品硬度的1.5-2倍。
附图说明
图1(a)是微米样品含有单个纳米孪晶加载-卸载曲线;
图1(b)是微米样品含有单个纳米孪晶即将压入的TEM显微照片;
位移控制模式,加载速率为20nm/s,最大压痕深度为200nm。
图2(a)是微米样品含有单个纳米孪晶加载-卸载曲线;
图2(b)是微米样品含有单个纳米孪晶卸载后的TEM显微照片;
位移控制模式,加载速率为20nm/s,最大压痕深度为600nm。
图3(a)是原样品加载-卸载曲线;
图3(b)是原样品卸载后的TEM显微照片;
位移控制模式,加载速率为20nm/s,最大压痕深度为600nm。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图,详细叙述本发明的具体实施方式。
经过化学机械抛光的商业的4英寸的Si(111)硅片,采用IC制程中的Ar离子束刻蚀方法,在硅片上刻蚀出四棱锥的坑,坑深100-200μm、两个四棱锥之间的距离是300-400μm,并形成这种微米坑的阵列布满硅片表面,刻蚀完成后,用金刚石笔切割成长宽为8-9mm的小块。将4个小块放入化学气相沉积设备中,进行宏-微-纳一体化金刚石刀具的生长,生长完成后,每个刀尖的曲率半径为60-90nm,刀尖的高度为100-200μm,刀尖之间的距离为300-400μm,刀尖形成阵列,布满刀具表面,刀具的长和宽为8-9mm,厚度为1-1.5mm。生长完成后,用氢氟酸和硝酸的混合溶液,体积比为6-8:0.4-0.8,溶解掉Si衬底,获得宏-微-纳一体化金刚石刀具。
用防水金刚石砂纸进行镍基合金C-2000表面的固结磨料研磨,然后进行化学机械抛光,抛光后表面粗糙度Ra0.7-0.9nm,用宏-微-纳一体化金刚石刀具压印镍基合金C-2000的表面。用防水金刚石砂纸进行固结磨料研磨,然后进行化学机械抛光,抛光后表面粗糙度Ra为0.5-0.9nm。
把抛光后的镍基合金样品放入双束扫描电镜(Carl ZeissAuriga)中,在扫描电镜中找到微米长度中含有等长单个纳米孪晶的区域,单个纳米孪晶厚度为50-100nm,长度5-20μm。第一步,将样品台倾斜54°,用离子束沉积铂金(Pt)保护层。沉积长度5-20μm,沉积宽度0.8-1.5μm;第二步,沉积完成后在保护层两侧切梯形坑。两个梯形坑的顶边边长相同,均为5-15μm,顶边距离保护层1-2μm。用离子束切割梯形坑,切割深度为8-10μm;第三步,完成两侧梯形坑切割后,将剩余的1-2μm材料切割掉;第四步,将样品台倾转角度调整为10°,对样品进行U切,在样品上切出U型坑,让样品与基体有一小部分保持连接;第五步,用机械手将样品取出再焊接至FIB样品铜网上。切割后的样品长度为5-20μm,高度为4-10μm,厚度50-100nm。
将制备好的透射电镜样品装配至透射电镜原位纳米力学测试系统(Hysitron PI95TEM PicoIndenter)的样品杆上,插入透射电镜(FEI Tecnai F20)中进行原位纳米压痕测试。通过调整在透射电镜中的焦距,使样品杆上的三棱锥金刚石针尖与样品处于同一高度上。样品杆校正完成后,把样品和金刚石针尖之间的相对距离调整至30-50nm,金刚石针尖曲率半径为40-80nm。加载最大位移200-1000nm,整个过程分为加载和卸载两个阶段,加载与卸载速度相同,均为15-25nm/s。原位纳米力学测试系统记录下整个过程中单个纳米孪晶样品的微观结构变化及对应的载荷-位移曲线。通过对载荷-位移曲线的计算,发现在加载位移为270-300nm时,含有单个纳米孪晶的合金样品刚度是原样品的10倍。含有单个纳米孪晶的合金样品的硬度是原样品的1.5-2倍。
本实验完成了微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法。
Claims (2)
1.一种微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法,其特征在于,在透射电镜中实现含有单个纳米孪晶的样品的原位纳米压痕测试方法,步骤如下:
(1)制作宏-微-纳一体化金刚石刀具,每个刀尖的曲率半径为40-90nm,刀尖的高度为100-300μm,刀尖之间的距离为300-600μm,刀尖形成阵列,布满刀具表面,刀具的长和宽为5-9mm,厚度为1-2mm;
(2)先用金刚石刀具压印合金样品表面,形成纳米孪晶化表面;接着用化学机械抛光方法抛光压印表面,抛光后合金表面粗糙度Ra为0.5-0.9nm;
(3)将合金样品放入带有聚焦离子束的扫描电镜中,选择长度为5-20μm、高度为4-10μm、厚度50-100nm的合金样品,且含有等长单个纳米孪晶的区域,孪晶的厚度为50-100nm,确定后在扫面电镜中原位表征、切割、粘接、转移和离子减薄,制备成透射电镜原位压痕样品;
(4)在透射电镜中,通过样品杆上的三棱锥金刚石针尖,针尖曲率半径为40-80nm,进行含有单个纳米孪晶的样品的原位纳米压痕测试;
(5)用位移控制模式,加载位移为200-1000nm,加载速度10-30nm/s,摄制合金样品的微观结构变化及输出载荷-位移曲线。
2.根据权利要求1所述的微米合金含有等长单个纳米孪晶的透射电镜原位纳米压痕方法,其特征在于,当加载位移为270-300nm时,含有单个纳米孪晶的合金样品刚度是原合金样品的10倍,硬度是原合金样品的1.5-2倍。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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