CN110687151A - 一种金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法 - Google Patents

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CN110687151A CN201911070259.2A CN201911070259A CN110687151A CN 110687151 A CN110687151 A CN 110687151A CN 201911070259 A CN201911070259 A CN 201911070259A CN 110687151 A CN110687151 A CN 110687151A
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张厚亮
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Abstract

本发明公开了金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，包括以下步骤：A、将初始样品、初始压标材料和封垫固定在预制样品台上，再将预制样品台转移至FIB‑SEM双束系统中并抽真空；B、利用离子束对初始样品进行切割，得到预期大小和形状的待测样品；C、利用机械手将待测样品转移并固定在所述封垫的样品腔内壁上；D、利用离子束对初始压标材料进行切割，得到预期大小和形状的压标；E、利用机械手将压标转移并固定在所述封垫的样品腔内壁上；步骤B、步骤C、步骤D和步骤E的顺序可调，需实现先切割再转移固定并且最后得到所述金刚石对顶压砧用精细样品。本发明能较好地固定金刚石对顶压砧样品和压标，提高装金刚石对顶压砧样品的成功率。

Description

一种金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法
技术领域
本发明属于金刚石对顶压砧样品制备领域，涉及一种金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，特别涉及一种金刚石对顶压砧用数十微米规整精细样品的制备方法。
背景技术
金刚石对顶压砧(DAC)，由一对金刚石对顶砧和密封垫组成。将样品和测压红宝石同时放入金刚石压砧密封垫中，旋紧压砧就可以获得数百GPa高压。它产生的超高压条件使得人们可以更深层次认识物质高压下的物理化学性质。
现有的金刚石对顶压砧样品的制备主要是采用手术刀将大块样品材料切割成大小合适的尺寸，挑选出大小适合待用压机样品腔的小样品，采用金属细针将小样品挑入到金刚石压砧样品腔中。此种方法得到的样品通常形状大小不规则，不利于后期测量形变。
由于金刚石对顶砧的样品腔非常小，一般在数十微米到百微米量级，样品小于样品腔的尺寸。在将样品和压标挑入到样品腔后，需要注入液氩或液氮或液氦等传压介质。在注入传压介质过程中，由于样品和压标都很小，流体的流动会导致已放置好的样品或压标的移动，样品或压标会移动到非预期的位置，导致装样失败，装样成功率低。由于传统方法装样，样品固定不牢靠，加压过程中样品容易发生测溢。
因此，需要开发一种能较好的固定样品和压标的方法，从而提高装样的成功率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种能较好的固定金刚石对顶压砧样品和压标的金刚石对顶压砧用精细样品制备方法，从而提高装金刚石对顶压砧样品的成功率。
本发明提供了一种金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
A、将初始样品、初始压标材料和封垫固定在预制样品台上，再将预制样品台转移至FIB-SEM双束系统中并抽真空；
B、利用离子束对所述初始样品进行切割，得到预期大小和形状的待测样品；
C、利用机械手将所述待测样品转移并固定在所述封垫的样品腔内壁上；
D、利用离子束对所述初始压标材料进行切割，得到预期大小和形状的压标；
E、利用机械手将所述压标转移并固定在所述封垫的样品腔内壁上；
其中，步骤B、步骤C、步骤D和步骤E的顺序可调，需实现先切割再转移固定并且最后得到所述金刚石对顶压砧用精细样品。
根据本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的一个实施例，所述预制样品台的平面倾角为0°，所述FIB-SEM双束系统为聚焦离子束电子束显微分析系统并且离子束与电子束之间的夹角α为45～55°。
根据本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的一个实施例，在步骤B和步骤D中，利用离子束进行切割时，需旋转样品台α角度之后使离子束与初始样品和初始压标材料的表面垂直。
根据本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的一个实施例，所述初始样品、初始压标材料和封垫为导电材料。
根据本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的一个实施例，所述初始样品、初始压标材料和封垫为金属材料或半导体材料。
根据本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的一个实施例，所述封垫的样品腔的长宽高尺寸为数微米至数百微米，所述待测样品和压标的长宽高尺寸为数微米至数百微米并且所述待测样品和压标的长宽高尺寸小于样品腔的长宽高尺寸。
根据本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的一个实施例，所述待测样品和压标在样品腔中的分布位置能够任意设置。
根据本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的一个实施例，所述待测样品和压标在样品腔中对称放置，待测样品和压标不超出样品腔的上下表面。
与现有技术相比，本发明利用FIB-SEM双束系统进行原位金刚石对顶压砧样品的制备过程，实现了待测样品和压标在封垫样品腔中的固定，待测样品和压标的形状、大小、位置可按需求定制；避免了传统制样方法的随意性，省略了挑选样品的过程；减少了DAC装样过程样品和压标的随意移动，也减少了加压过程中样品的测溢；有利于提升DAC装样的成功率，降低了劳动强度，节约了时间和材料消耗。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例的金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的流程图。
图2示出了将初始样品、初始压标材料和封垫固定在预制样品台上的位置示意图。
图3a示出了样品台在0°位置时的电子束、离子束与初始样品、初始压标材料和封垫的位置示意图，图3b示出了样品台旋转α角度位置时的电子束、离子束与初始样品、初始压标材料和封垫的位置示意图。
图4示出了利用机械手转移切割好的待测样品至封垫的样品腔内壁并固定的示意图。
图5示出了完成待测样品和压标固定至封垫的样品腔内壁的示意图。
图6a和图6b示出了实施例1中切割待测样品的电子束成像照片。
图7a示出了实施例1中使用机械手提取切割好的待测样品的电子束成像照片，图7b示出了实施例1中使用机械手转移切割好的待测样品至封垫的样品腔内壁的电子束成像照片，图7c示出了实施例1中把切割好的待测样品固定在封垫的样品腔内壁上并切断机械手和样品之间连接的电子束成像照片，图7d和图7e分别示出了实施例1中退出机械手后待测样品固定在封垫的样品腔内壁上的电子束成像照片。
图8a和图8b示出了实施例2中切割待测样品的电子束成像照片。
图9a示出了实施例2中使用机械手转移切割好的待测样品至封垫的样品腔内壁的电子束成像照片，图9b示出了实施例2中使用机械手转移切割好的待测样品至封垫的样品腔内壁的离子束成像照片，图9c示出了实施例2中把切割好的待测样品固定在封垫的样品腔内壁上的电子束成像照片，图9d示出了实施例2中退出机械手后待测样品固定在封垫的样品腔内壁上的电子束成像照片。
图10示出了实施例2中使用离子束切割Cu压标的电子束成像照片。
图11a示出了实施例2中使用机械手转移切割好的压标的电子束成像照片，图11b示出了实施例2中退出机械手后压标固定在封垫样品腔内壁上的离子束成像照片，图11c示出了实施例2中退出机械手后压标固定在封垫样品腔内壁上的电子束成像照片。
图12a示出了实施例3中退出机械手后压标固定在封垫的品腔内壁上的电子束成像照片，图12b示出了实施例3中退出机械手后压标固定在封垫的样品腔内壁上的离子束成像照片。
图13a示出了实施例3中使用机械手转移切割好的样品的电子束成像照片，图13b示出了实施例3中退出机械手后样品固定在封垫的样品腔内壁上的电子束成像照片。
图14a示出了实施例4中切割待测样品的电子束成像照片，图14b示出了实施例4中使用机械手转移切割好的待测样品至封垫的样品腔内壁的电子束成像照片，图14c示出了实施例4中退出机械手后待测样品固定在封垫的样品腔内壁上的电子束成像照片。
图15a示出了实施例4中使用离子束切割Cu压标的电子束成像照片，图15b示出了实施例4中利用机械手固定压标在样品腔内壁上的电子束成像照片，图15c示出了实施例4中退出机械手后压标和样品在封垫样品腔内壁上的电子束成像照片。
附图标记说明：
1-初始样品、2-初始压标材料、3-封垫、4-样品腔、5-预制样品台、6-电子束、7-离子束、8-机械手、9-待测样品、10-样品腔侧壁、11-压标。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面结合附图对本发明金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法进行具体说明。本发明是基于现有离子束与电子束夹角β为45～55°的FIB-SEM双束系统进行，实现了待测样品和压标在封垫中的固定，待测样品和压标的形状、大小、位置可按需求定制，其中β通常为52°。
图1示出了根据本发明示例性实施例的金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法的流程图。如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法主要包括以下多个步骤。
步骤A：
图2示出了将初始样品、初始压标材料和封垫固定在预制样品台上的位置示意图。如图2所示，将初始样品1、初始压标材料2和封垫3固定在预制样品台5上，再将预制样品台5转移至FIB-SEM双束系统中并抽真空。其中，封垫3中具有样品腔4。
步骤B：
利用离子束6对初始样品1进行切割，得到预期大小和形状的待测样品9。
步骤C：
利用机械手8将待测样品9转移并固定在封垫3的样品腔内壁10上。
步骤D：
利用离子束6对初始压标材料2进行切割，得到预期大小和形状的压标11。
步骤E：
利用机械手8将压标11转移并固定在封垫3的样品腔内壁10上。
其中，步骤B、步骤C、步骤D和步骤E的顺序可调，需实现先切割再转移固定并且最后得到金刚石对顶压砧用精细样品。
也即，步骤B、C、D、E并无需严格按顺序进行，可以按照B、C、D、E的顺序进行，也可以按照D、E、B、C或B、D、C、E或D、B、E、C等的顺序进行，只要能实现待测样品或压标固定在封垫的样品腔内壁上即可。
图3a示出了样品台在0°位置时的电子束、离子束与初始样品、初始压标材料和封垫的位置示意图，图3b示出了样品台旋转α角度位置时的电子束、离子束与初始样品、初始压标材料和封垫的位置示意图图4示出了利用机械手转移切割好的待测样品至封垫样品腔内壁并固定的示意图，图5示出了完成待测样品和压标固定至封垫样品腔内壁的示意图。
如图3a至图5所示，预制样品台5的平面倾角为0°，FIB-SEM双束系统为聚焦离子束电子束显微分析系统并且离子束7与电子束6之间的夹角α为45～55°。当利用离子束进行切割时，需旋转样品台α角度之后使离子束与初始样品和初始压标材料的表面垂直。切割后，分别利用机械手将切割好的待测样品和压标转移并固定在封垫的样品腔内壁上，即可得到本发明的金刚石对顶压砧用精细样品。
其中，初始样品1、初始压标材料2和封垫3应为导电材料，优选为金属材料或半导体材料，例如压标可以为Cu、红宝石、压电陶瓷等，样品可以为Be、Al、Fe、W、氧化铝、Ag、氢化锆、氢化镧、二氧化硅等，封垫可以为Re、不锈钢、钨、钽等。封垫3的样品腔4的长宽高尺寸为数微米至数百微米，待测样品9和压标11的长宽高尺寸为数微米至数百微米并且待测样品9和压标11的长宽高尺寸小于样品腔4的长宽高尺寸。
待测样品9和压标11在样品腔4中的分布位置能够任意设置，优选为对称放置，且待测样品和压标不超出样品腔的上下表面。
其中，待测样品或压标的转移和固定可以通过以下方法制备：先沉积Pt在待测样品和机械手之间，使得待测样品与机械手相连，然后切断待测样品与初始主体样品之间的连接；移动机械手，使得待测样品或压标靠近封垫的样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；先沉积Pt在待测样品或压标与封垫样品腔内壁之间，使得待测样品或压标与封垫样品腔内壁相连，然后待测样品或压标与机械手之间的连接，就得到固定在封垫样品腔内壁上的待测样品或压标。
通过上述方法的调整，实现了待测样品和压标在封垫样品腔中的固定，待测样品和压标的形状、大小、位置可按需求定制，避免了传统制样方法的随意性，省略了挑选样品的过程。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明保护范围不受制于本发明的实施例。
实施例1：
将初始样品1、初始压标材料2和封垫3固定在预制样品台5上，再将预制样品台5转移至FIB-SEM双束系统中并抽真空，电子束和离子束的夹角为52°。
旋转样品台使离子束和样品表面垂直，利用离子束对初始厚度为13μm的初始样品铍(Be)薄片进行切割，得到预期大小和形状的待测样品，如图6a和图6b所示，切割完成后测量样品，样品形状接近于圆形，样品厚度13μm，样品直径29μm，保持切割的样品有一部分与初始主体样品相连；
旋转样品台至水平位置0°，利用机械手将待测样品转移并固定在样品腔处直径70μm的封垫的内壁上。具体步骤为：如图7a所示，先沉积Pt在待测样品与机械手之间，使得待测样品与机械手相连，然后切断待测样品与初始主体样品之间的连接；如图7b所示，移动机械手，使得待测样品靠近封垫样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；如图7c所示，先沉积Pt在待测样品与封垫样品腔内壁之间，使得待测样品与封垫样品腔内壁相连，然后切断待测样品与机械手之间的连接，就得到图7d所示的固定在封垫样品腔内壁上的样品，图7e为固定在封垫样品腔内壁上的待测样品放大500倍的照片。
实施例2：
将初始样品1、初始压标材料2和封垫3固定在预制样品台5上，再将预制样品台5转移至FIB-SEM双束系统中并抽真空，电子束和离子束的夹角为52°。
通过将样品侧贴在样品台侧面和正贴在样品台表面并旋转一定的角度，利用离子束的切割功能对宏观大小的初始厚度为1mm的样品铍(Be)进行切割，得到预期大小和形状的待测样品，如图8a和图8b所示，切割完成后测量样品，样品形状接近于长方体，样品厚度20μm，样品边长26μm，保持切割的样品有一部分与初始主体样品相连；
旋转样品台至水平位置0°，使样品表面保持水平，利用机械手将待测样品转移并固定在样品腔直径116μm的封垫的内壁上。具体步骤为：如图9a和图9b所示，先沉积Pt在待测样品和机械手之间，使得待测样品和机械手相连，然后切断待测样品和初始主体样品之间的连接，移动机械手，使得待测样品靠近封垫样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；如图9c所示，先沉积Pt在待测样品和封垫内壁之间，使得待测样品和封垫样品腔内壁相连，然后切断待测样品和机械手之间的连接，就得到图9d所示的固定在封垫样品腔内壁上的待测样品；
旋转样品台52°，使离子束和压标用初始材料铜(Cu)垂直，利用离子束的切割功能对宏观大小的初始厚度为15μm的压标铜(Cu)进行切割，得到预期大小和形状的压标，如图10所示，切割完成后测量，压标形状接近于正方体，压标厚度15μm，压标边长15μm，保持切割的压标有一部分与初始主体Cu相连；
旋转样品台至水平位置0°，使压标表面保持水平，利用机械手将压标转移并固定在所述封垫的内壁上。具体步骤为：如图11a所示，先沉积Pt在压标和机械手之间，使得压标和机械手相连，然后切断压标和初始主体Cu之间的连接，移动机械手，使得压标靠近封垫样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；先沉积Pt在压标和封垫样品腔内壁之间，使得压标和封垫样品腔内壁相连，然后切断压标和机械手之间的连接，就得到图11b和图11c所示的固定在封垫样品腔内壁上的压标。
实施例3：
将初始样品1、初始压标材料2和封垫3固定在预制样品台5上，再将预制样品台5转移至FIB-SEM双束系统中并抽真空，电子束和离子束的夹角为52°。
旋转样品台使离子束和压标用初始材料铜(Cu)垂直，利用离子束的切割功能对宏观大小的初始厚度为15μm的压标铜(Cu)进行切割，得到预期大小和形状的压标，切割完成后测量，压标形状接近于正方体，压标厚度15μm，压标边长15μm，保持切割的压标有一部分与初始主体Cu相连；
旋转样品台至水平位置0°，使压标表面保持水平，利用机械手将压标转移并固定在封垫样品腔的内壁上。具体步骤为：先沉积Pt在压标和机械手之间，使得压标和机械手相连，然后切断压标和初始主体Cu之间的连接，移动机械手，使得压标靠近封垫样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；先沉积Pt在压标和封垫样品腔内壁之间，使得压标和封垫样品腔内壁相连，然后切断压标和机械手之间的连接，就得到图12a和图12b所示的固定在封垫样品腔内壁上的压标；
通过将样品侧贴在样品台侧面和正贴在样品台表面并旋转一定的角度，利用离子束的切割功能对宏观大小的初始厚度为1mm的样品铍(Be)进行切割，得到预期大小和形状的待测样品，切割完成后测量样品，样品形状接近于长方体，样品厚度20μm，样品边长25μm×28μm，保持切割的样品有一部分与初始主体样品相连；
旋转样品台至水平位置0°，使样品表面保持水平，利用机械手将待测样品转移并固定在所述封垫样品腔的内壁上。具体步骤为：如图13a所示，先沉积Pt在待测样品和机械手之间，使得待测样品和机械手相连，然后切断待测样品和初始主体样品之间的连接，移动机械手，使得待测样品靠近封垫样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；先沉积Pt在待测样品和封垫样品腔内壁之间，使得待测样品和封垫样品腔内壁相连，然后切断待测样品和机械手之间的连接，就得到图13b所示的固定在封垫样品腔内壁上的待测样品。
实施例4：
将初始样品1、初始压标材料2和封垫3固定在预制样品台5上，再将预制样品台5转移至FIB-SEM双束系统中并抽真空，电子束和离子束的夹角为52°。
通过将样品侧贴在样品台侧面和正贴在样品台表面并旋转一定的角度，利用离子束的切割功能对宏观大小的初始厚度为1mm的样品铍(Be)进行切割，得到预期大小和形状的待测样品，切割完成后测量样品，样品形状接近于长方体，样品厚度17μm，样品边长29μm×35μm。
旋转样品台至水平位置0°，使样品表面保持水平，利用机械手将待测样品转移并固定在封垫样品腔的内壁上。具体步骤为：保持切割的样品有一部分与初始主体样品相连，如图14a所示。先沉积Pt在待测样品和机械手之间，使得待测样品和机械手相连，如图14b所示。切断机械手和待测样品之间的连接，然后切断待测样品和初始主体样品之间的连接，移动机械手，使得待测样品靠近封垫样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；先沉积Pt在待测样品和封垫样品腔内壁之间，使得待测样品和封垫样品腔内壁相连，然后切断待测样品和机械手之间的连接，就得到图14c所示的固定在封垫样品腔内壁上的待测样品。
旋转样品台52°，使离子束和压标用初始材料铜(Cu)垂直，利用离子束的切割功能对宏观大小的初始厚度为15μm的压标铜(Cu)进行切割，得到预期大小和形状的压标，切割完成后测量，压标形状接近于正方体，压标厚度15μm，压标边长25μm*30μm，保持切割的压标有一部分与初始主体Cu相连，如图15a所示。
旋转样品台至水平位置0°，并水平旋转180°，使压标表面保持水平，利用机械手将压标转移并固定在封垫样品腔的内壁上。具体步骤为：先沉积Pt在压标和机械手之间，使得压标和机械手相连，然后切断压标和初始主体Cu之间的连接，移动机械手，使得压标靠近封垫样品腔内壁，并处于封垫上下表面之间；先沉积Pt在压标和封垫样品腔内壁之间，使得压标和封垫样品腔内壁相连，如图15b所示。然后切断压标和机械手之间的连接，就得到图15c所示的固定在封垫样品腔内壁上的压标。
后续装样过程中，充入液氩并加载压力，未出现样品被损坏、移动和侧溢现象，在线测得压力从0GPa上升到6.83GPa时，Ar特征峰信号右移了2nm，表明预加压成功，成功实现装样。
综上，本发明利用FIB-SEM双束系统进行原位金刚石对顶压砧样品的制备过程，减少了DAC装样过程样品和压标的随意移动，也减少了加压过程中样品的测溢；有利于提升DAC装样的成功率，降低了劳动强度，节约了时间和材料消耗。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
A、将初始样品、初始压标材料和封垫固定在预制样品台上，再将预制样品台转移至FIB-SEM双束系统中并抽真空；
B、利用离子束对所述初始样品进行切割，得到预期大小和形状的待测样品；
C、利用机械手将所述待测样品转移并固定在所述封垫的样品腔内壁上；
D、利用离子束对所述初始压标材料进行切割，得到预期大小和形状的压标；
E、利用机械手将所述压标转移并固定在所述封垫的样品腔内壁上；
其中，步骤B、步骤C、步骤D和步骤E的顺序可调，需实现先切割再转移固定并且最后得到所述金刚石对顶压砧用精细样品。
2.根据权利要求1所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，所述预制样品台的平面倾角为0°，所述FIB-SEM双束系统为聚焦离子束电子束显微分析系统并且离子束与电子束之间的夹角α为45～55°。
3.根据权利要求2所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，在步骤B和步骤D中，利用离子束进行切割时，需旋转样品台α角度之后使离子束与初始样品和初始压标材料的表面垂直。
4.根据权利要求1所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，所述初始样品、初始压标材料和封垫为导电材料。
5.根据权利要求4所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，所述初始样品、初始压标材料和封垫为金属材料或半导体材料。
6.根据权利要求1所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，所述封垫的样品腔的长宽高尺寸为数微米至数百微米，所述待测样品和压标的长宽高尺寸为数微米至数百微米并且所述待测样品和压标的长宽高尺寸小于样品腔的长宽高尺寸。
7.根据权利要求1或6所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，所述待测样品和压标在样品腔中的分布位置能够任意设置。
8.根据权利要求7所述金刚石对顶压砧用精细样品的制备方法，其特征在于，所述待测样品和压标在样品腔中对称放置，待测样品和压标不超出样品腔的上下表面。
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