CN110926898A - 一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，包括以下步骤：A.准备薄片试样；B.对薄片试样进行水磨预减薄；C.对预减薄后薄片试样进行低温离子溅射减薄；D.对低温离子溅射减薄后的薄片试样表面进行喷碳处理，使薄片试样表面沉积一层非晶碳膜。本发明的方法通过采用液氮冷却、喷碳处理等措施，减小TEM样品制备过程中电荷积累等不利因素对样品微观结构的影响。

Description

一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法
技术领域
本发明涉及透射电镜样品制备技术领域，特别涉及一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法。
背景技术
在电子束敏感脆性材料的结构研究中，依赖于透射电镜(TEM)进行的微纳尺度的结构表征一直是一大难题，而这一难题的根源在于脆性材料透射电镜TEM样品制备。
目前广泛使用的透射电镜TEM样品制备方法是聚焦离子束(FIB)微纳加工、离子溅射减薄以及超薄切片。聚焦离子束FIB制备透射电镜TEM样品通常是在30kV的加速电压下，利用Ga离子的溅射作用对材料进行高速地刻蚀来实现减薄的，具有高精度和高效率的优势。然而，由于Ga离子原子质量较大，因此在其轰击材料表面进行减薄的过程中会对样品造成损伤，从而破坏样品的微观结构。对于电子束敏感的脆性材料而言，这种破坏作用会表现地更为显著。这是因为电子束敏感脆性材料本身导电性差，因此，聚焦离子束FIB制样过程中高能离子束引起的离子注入和电荷积累效应会改变样品的微观结构，引起晶体晶型转变、有机物分解等等。
与聚焦离子束FIB相比，离子溅射减薄使用的Ar离子具有较小的原子质量，但由于溅射作用时间长、能量集中，易引起材料表面的温度上升，造成灼伤。超薄切片法虽然可以避免上述问题的产生，但是由于材料的脆性特征，切片过程将不可避免地引入机械损伤，导致裂纹的萌生和扩展，从而难以获得完整的薄片样品。另一方面，即使上述三种方法本身未对材料微观结构引起损伤，透射电镜TEM拍摄过程中的电荷积累同样会造成微观结构的破坏。因此，有必要针对电子束敏感脆性材料发展适宜的透射电镜TEM样品制备方法。
发明内容
本发明的目的是针对电子束敏感脆性材料微纳结构表征存在的困难，提供一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，通过采用液氮冷却、喷碳处理等措施，减小TEM样品制备过程中电荷积累等不利因素对样品微观结构的影响。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，包括以下步骤：
A.准备薄片试样；
B.对薄片试样进行水磨预减薄；
C.对预减薄后薄片试样进行低温离子溅射减薄；
D.对低温离子溅射减薄后的薄片试样表面进行喷碳处理，使薄片试样表面沉积一层非晶碳膜。
进一步地，所述步骤A具体为：采用水冷低速金刚石切割机从脆性材料块体样品中切取薄片试样，所述薄片试样的厚度为0.2mm至0.4mm。
进一步地，所述步骤B具体为：
B1.将薄片试样的正反两面依次用800#、1000#、1500#、2000#水磨砂纸打磨至厚度为20μm至40μm；
B2.用氧化铝悬浮抛光溶液对经步骤B1处理的薄片试样进行抛光。
进一步地，所述步骤B1中具体是将薄片试样粘接在制样模具上进行正反面打磨。
进一步地，粘接薄片试样与制样模具时，采用的粘接剂为熔融态松香，粘接温度为65℃至75℃。
进一步地，所述步骤B2中使用的氧化铝悬浮抛光溶液的颗粒度为20nm至50nm。
进一步地，所述步骤C具体为将打磨并抛光后的薄片试样粘在单孔铜环上，利用离子减薄仪对薄片试样进行双面减薄至符合透射电镜试样的要求。
进一步地，粘接薄片试样与单孔铜环的粘接剂为环氧树脂，粘接温度为室温，采用的所述离子减薄仪配备有液氮冷却控制系统，且减薄温度设置为-20℃至-50℃，以避免减薄过程中温度升高对样品造成的灼伤。
进一步地，利用离子减薄仪对薄片试样进行双面减薄时，具体是减薄初始电压设置为5kV，减薄初始角度设置为10°；随着样品厚度的减小，依次将减薄电压减小至3kV和2kV，对应的减薄角度减小至8°和6°；待样品穿孔后，将减薄电压调节至1kV，对应的减薄角度调节至4°，以实现样品的表面清扫。
进一步地，所述步骤D具体为利用离子溅射仪在薄片试样表面沉积一层厚度为5nm至10nm的非晶碳膜，以减小透射电镜TEM观察过程中电荷积累对样品微观结构的损伤。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
首先，本发明的电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法中，通过采用熔融态松香作为粘接剂，在满足粘接强度的同时，大幅度降低了TEM样品的粘接温度，有效避免了有机溶剂和高温加热对样品本征结构的破坏；
同时，本发明的电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法中，通过设置合理的减薄电压和角度并采用液氮冷却系统控制减薄温度，大幅度减小了TEM样品制备过程中高能量离子束流对样品微观结构的损伤；
且本发明的电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法在离子减薄后对样品实施了喷碳处理，增加了样品的导电性能，使其在随后的TEM表征中能真实地反应出本征的结构信息。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中所使用的制样模具的示意图。
图2是本发明的一个实施例中在离子减薄仪上对样品进行离子减薄示意图。
图3为采用本发明方法制备样品的透射电镜TEM明场像示意图。
图4为采用本发明方法制备样品的电子衍射花样示意图。
附图标记：1-内模，2-外模，3-铜环，4-样品，5-夹具，6-离子束。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
实施例一：
一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，本实施例中，具体是用于地质矿物TEM样品4制备。具体包括以下步骤：
步骤1.准备薄片试样。
选取亚稳态地质文石一块，用钢锯将试样切分为0.5cm*0.5cm的块体试样，随后用水冷低速金刚石切割机从块体试样中切取0.2mm至0.4mm厚的薄片样品4。作为优选，本申请中切取的样品4厚度为0.3mm。
步骤2.对薄片试样进行水磨预减薄。
本实施例中，具体是将薄片试样粘接在制样模具上进行正反面打磨。如图1所示为本实施例中所使用的制样模具的示意，该制样模具分为内模1及外模2，本实施例中，具体是将薄片试样粘接在内模1上表面，具体为：将模具的内模1放置于65℃至75℃(本实施例中具体为70℃)的加热台上加热，并用镊子夹取松香颗粒一块放置于模具内模1的上表面。待松香颗粒彻底融化后，将薄片样品4放置于熔融态的松香粘液上并用棉签压实，排出松香粘液中的气泡。随后将模具内模1从加热台上取下，使其自然冷却至室温。在这一过程中，熔融态的松香会发生固化，从而实现将样品4与内模1进行粘接。
然后，将浸泡后的水磨砂纸放置于光滑的水磨机台面上，打开自来水开关，调节并控制好水流速率。将样品4沿顺时针方向进行打磨，打磨过程中依次更换水磨砂纸型号，本实施例中依次选用800号、1000号、1500号和2000号水磨砂纸打磨。打磨完成后，选用粒度为20nm至50nm(本实施例中具体为20nm)的氧化铝悬浮液对样品4进行抛光。
接着用超声波震荡清洗样品4表面后，再次将内模1放置于70℃的加热台上加热，待松香融化后，取下样品4并翻面粘接，将样品4的另一面按上述步骤进行打磨，同时，在打磨过程中不断用螺旋测微仪测量模具内模1和样品4的总高度，从而计算出样品4厚度，具体的，样品4厚度为测出的模具内模1和样品4的总高度-模具内模1本身的净高度)。待样品4厚度减小至20μm至40μm(本实施例具体为30μm)时，将样品4进行抛光处理并超声震荡清洗干净。
步骤3.对预减薄后薄片试样进行低温离子溅射减薄。
如图2所示，取单孔铜环3一个，在铜环3边缘涂抹少量环氧树脂后粘于样品4表面，静置24小时待环氧树脂固化。随后，将模具内模1浸入酒精溶液中，待松香在酒精中溶解后，粘有铜环3的样品4会自动从内模1上脱落，再将样品4清洗并自然晾干后，用刀片将铜环3周围多余的样品4切除，使样品4尺寸满足TEM的测试要求。
然后，将样品4放入离子减薄仪中，具体固定于离子减薄仪的夹具5上，本实施例的离子减薄仪配备有液氮冷却控制系统，减薄时，在仪器中加入液氮并将减薄温度设置为-20℃至-50℃(本实施例中减薄温度具体为-30℃)，待腔体中温度达到设定的温度并稳定后，则开始通过离子束6进行减薄。减薄初始电压设置为5kV，对应的减薄角度设置为10°。随着样品4厚度的减小，依次将减薄电压减小至3kV和2kV，对应的减薄角度减小至8°和6°；待样品4穿孔后，将减薄电压调节至1kV，减薄角度调节至4°，以对样品4表面进行清扫。
步骤4.对低温离子溅射减薄后的薄片试样表面进行喷碳处理，使薄片试样表面沉积一层非晶碳膜。
具体为，将离子减薄后的样品4置于离子溅射仪中，逐渐调高溅射电压直至碳棒熔断，最终样品4表面沉积的非晶碳膜厚度为5nm至10nm，本实施例中具体为5nm。
如图3及图4所示，通过本方法制备的生物矿物TEM透射样品4薄区大，进行检测时可以观察到完整且清晰的本征结构信息，且有较强的抗电子辐照能力。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.准备薄片试样；
B.对薄片试样进行水磨预减薄；
C.对水磨预减薄后薄片试样进行低温离子溅射减薄；
D.对低温离子溅射减薄后的薄片试样表面进行喷碳处理，使薄片试样表面沉积一层非晶碳膜。
2.根据权利要求1所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述步骤A具体为：采用水冷低速金刚石切割机从脆性材料块体样品中切取薄片试样，所述薄片试样的厚度为0.2mm至0.4mm。
3.根据权利要求1所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述步骤B具体为：
B1.将薄片试样的正反两面依次用800#、1000#、1500#、2000#水磨砂纸打磨至厚度为20μm至40μm；
B2.用氧化铝悬浮抛光溶液对经步骤B1处理的薄片试样进行抛光。
4.根据权利要求3所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述步骤B1中具体是将薄片试样粘接在制样模具上进行正反面打磨。
5.根据权利要求4所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，粘接薄片试样与制样模具时，采用的粘接剂为熔融态松香，粘接温度为65℃至75℃。
6.根据权利要求3所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述步骤B2中使用的氧化铝悬浮抛光溶液的颗粒度为20nm至50nm。
7.根据权利要求3所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述步骤C具体为将打磨并抛光后的薄片试样粘在单孔铜环上，利用离子减薄仪对薄片试样进行双面减薄至符合透射电镜试样的要求。
8.根据权利要求7所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，粘接薄片试样与单孔铜环的粘接剂为环氧树脂，粘接温度为室温，采用的所述离子减薄仪配备有液氮冷却控制系统，且减薄温度设置为-20℃至-50℃。
9.根据权利要求8所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，利用离子减薄仪对薄片试样进行双面减薄时，具体是减薄初始电压设置为5kV，减薄初始角度设置为10°；随着样品厚度的减小，依次将减薄电压减小至3kV和2kV，对应的减薄角度减小至8°和6°；待样品穿孔后，将减薄电压调节至1kV，对应的减薄角度调节至4°。
10.根据权利要求1所述的一种电子束敏感脆性材料透射电镜样品制备方法，其特征在于，所述步骤D具体为利用离子溅射仪在薄片试样表面沉积一层厚度为5nm至10nm的非晶碳膜。
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