胡 瑩， 陳 圣， 張瀾庭

(1. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2. 寶山鋼鐵集團中央研究院，上海 201900)

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聚焦離子束外置取出法制備SiCp/Al透射電鏡樣品

胡 瑩1, 2， 陳 圣2， 張瀾庭1

(1. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2. 寶山鋼鐵集團中央研究院，上海 201900)

SiC顆粒增強鋁合金復(fù)合材料(SiCp/Al)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)分析工作中既需要定點取樣，又需要盡可能大的觀察區(qū)域以滿足對各結(jié)構(gòu)單元之間相互作用的研究，故透射電子顯微鏡(TEM)樣品制備工作存在較大的困難。采用聚焦離子束(FIB)外置取出方法制備TEM樣品，在真空室內(nèi)切割出較大面積的薄片樣品，并將其在真空室外取出，置于覆膜銅網(wǎng)上。由于一片覆膜銅網(wǎng)上可以承載多片樣品，這樣一次進樣可以對多個區(qū)域進行觀察。實驗結(jié)果證實樣品可觀察區(qū)域足夠，樣品質(zhì)量滿足TEM要求，觀察效率高，同時由于這種方法高效低成本的特點，在相近材料和一些實驗量龐大的材料結(jié)構(gòu)解析工作中具有可推廣性。

聚焦離子束； 外置取出； SiCp/Al

0 引 言

SiC顆粒增強鋁基(SiCp/Al)復(fù)合材料是由陶瓷性增強相SiC顆粒和輕質(zhì)Al合金通過一定的工藝共同構(gòu)成的一種復(fù)合材料[1]，像許多其他復(fù)合材料一樣，界面是研究工作中重要的一個方面[2-4]。

鑒于界面兩側(cè)的組織細密，透射電子顯微鏡(TEM)在復(fù)合材料的研究中扮演著重要角色[5-6]。但是，由于SiCp/Al復(fù)合材料兩相之間的物理、化學(xué)性能差異很大，在樣品制備的過程中存在相當?shù)睦щy。同時，前期工作已知材料中可能形成多種析出相和反應(yīng)產(chǎn)物，復(fù)合材料整體信息以及各結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系也是研究工作中不能忽略的部分。上述需求對TEM樣品制備提出了較高的要求：①需要在界面附近定點選取樣品；②需要提取各種析出物和反應(yīng)產(chǎn)物的樣品；③為提高工作效率，希望TEM一次進樣可以觀察多個區(qū)域；④為研究材料中各結(jié)構(gòu)單元的關(guān)系，希望選取的樣品可觀察區(qū)域盡可能大。

為了同時滿足上述TEM樣品制備要求，本文選擇聚焦離子束(FIB)作為樣品加工設(shè)備[7-11]，并采用外置取出方式提取樣品。

1 實驗方法

(1) 材料預(yù)處理。實驗材料經(jīng)金剛石砂輪機切割成薄片狀，待加工表面由硬質(zhì)砂紙磨平，砂紙的挑選以可以磨削SiC顆粒為準。為避免Al的氧化，加工過程中實驗材料不接觸水。

(2) 樣品切割。將實驗材料平黏在FIB樣品臺上，四周用銅導(dǎo)電膠帶黏牢。使用適當?shù)氖髑懈畛珊穸刃∮?00 nm的薄片[12-15]。薄片在真空室內(nèi)不經(jīng)黏連直接切斷，使薄片浮在切割坑中。如此切割20～30個薄片樣品，將樣品臺從FIB真空室中取出，放置在配有機械懸臂的光學(xué)顯微鏡載物臺上。

(3) 樣品取出。外置取出法不同于需要專用半分載網(wǎng)的內(nèi)置取出法，一般附膜的銅網(wǎng)或鎳網(wǎng)都可以使用，至于將樣品放置在鍍膜面還是反面，可根據(jù)實驗者的操作習(xí)慣，兩側(cè)放置均對TEM觀察不會造成明顯影響。對于初學(xué)者鍍膜面相對容易操作，反面由于銅網(wǎng)本身的厚度可能出現(xiàn)網(wǎng)壁對機械手的阻礙，需要更多技巧。

外置取出具體方法如下：

(1) 機械手的修型。將毛細玻璃管下端懸掛重物，由電阻絲中間加熱，使其斷成2個具有尖銳端部的針形機械手(見圖1)。剛燒好的機械手由于端部過尖容易刺穿銅網(wǎng)的鍍膜層，不可以直接使用。用電阻絲加熱的方式將機械手的尖端烤圓，圓角弧度和樣品薄片的厚度影響匹配(見圖2)。

(2)組裝并調(diào)整機械懸臂。將已經(jīng)修好型的機械手裝載在機械懸臂的前端，調(diào)整懸臂的角度，角度過大下針時不易控制速度，不利提取和放置；角度過小下針過程中則容易形成拖拽，折斷機械手。對隨主機配置的外置取出設(shè)備，機械懸臂約30°較為合適(見圖3)。

(3)提取樣品。用三維手輪(見圖4)控制機械手下探，觸碰已切好的浮在切割坑中的TEM樣品，并敲擊其邊緣，利用范德瓦爾茲力將樣品吸在機械手尖端，并適當提升機械懸臂，為大范圍運動留出足夠的空間。

圖1 機械手針管燒制圖2 機械手修型

圖3 機械懸臂的安裝圖4 三維控制手輪

(4)放置樣品。控制載物臺和機械懸臂使機械手處于銅網(wǎng)上空，下探機械手，將樣品平鋪在銅網(wǎng)鍍層上，用機械手調(diào)整樣品各邊緣使其與鍍膜形成良好的結(jié)合。放置樣品時，可能出現(xiàn)樣品與鍍膜成一定角度黏在一起的情況，這種樣品的TEM觀察時會由于黏結(jié)不牢被真空系統(tǒng)吸走，對于厚度小于100 nm的金屬樣品，判斷是否放平的標準是透明度觀察，通常情況下銅網(wǎng)鍍膜在500倍的光學(xué)顯微鏡下是透明的，厚度小于100 nm的金屬樣品是半透明的，如果樣品側(cè)立黏在銅網(wǎng)薄膜上則幾乎是不透明的。

2 實驗結(jié)果

采用外置取出的方式制備TEM樣品可一次加工多組，統(tǒng)一提取(見圖5)，同時不存在內(nèi)置取出方式中必不可少的黏接(見圖6)、分離提取桿、二次減薄(見圖7)等步驟，效率大大提高。同時，外置取出方法可以得到更大的樣品觀察面積。對于本試驗采用的SiCp/Al復(fù)合材料可以加工成最小60 nm，最大20 μm×15 μm的薄片(使用設(shè)備SII SMI3050)，相比內(nèi)置取出方式，兩側(cè)和上端需要留出黏角的位置，樣品不能太大以免在黏接和運動的過程中發(fā)生變型，進行二次減薄時需要讓開黏角的位置，進一步減少加工區(qū)域，所以成品的觀察區(qū)域長邊不足5 μm成為常態(tài)。

由于內(nèi)置取出法采用FIB專用的半分載網(wǎng)，考慮到后續(xù)二次減薄可操作性，一般不會在同一個載體柱上(圖8箭頭指處)黏結(jié)2個以上的TEM樣品，所以一次TEM進樣不能對多于10個區(qū)域進行連續(xù)觀察；而外置取出法制備的樣品平放在附膜載網(wǎng)的表面任何一個沒有銅柵的位置(見圖9)，放置樣品的數(shù)量沒有限制，相應(yīng)地一次TEM進樣可以連續(xù)觀察的樣品數(shù)量沒有限制。同時，由于一個載網(wǎng)上可放置很多樣品，耗材消耗量會大幅下降，且附膜載網(wǎng)較FIB專用半分載網(wǎng)便宜，外置取出法是降低實驗成本的一個途徑。

圖5 連續(xù)加工中的TEM樣品

圖6 內(nèi)置取出方式的黏角

圖7 內(nèi)置取出方式涉及的二次減薄

外置取出方法制備的透射電鏡樣品雖然沒有經(jīng)過二次減薄，但進行衍射襯度成像、選區(qū)電子衍射分析、掃描透射成像都可以得到比較好的結(jié)果(見圖10)。

圖8 FIB專用半分載網(wǎng)圖9 附膜載網(wǎng)

圖10 SiCp/Al中SiC顆粒透射電子顯微鏡下衍射襯度像、電子衍射和掃描透射照片

3 結(jié) 語

在FIB透射電鏡樣品制備中，外置取出具有加工時間短、觀察面積大、耗材成本低、一次進樣連續(xù)實驗等特點。雖然制備的樣品高分辨等成像中存在困難，但對于大多數(shù)的TEM檢測分析是足夠的，特別是對于SiCp/Al等既需要定點取樣，又因關(guān)注各結(jié)構(gòu)單元之間關(guān)系需要盡可能大的觀察區(qū)域的樣品具有實際意義，也適用于實驗量龐大但材料結(jié)構(gòu)相對較粗的工作。

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FIB with External Picking up on Making SiCp/Al Simples for TEM

HUYing1, 2,CHENSheng2,ZHANGLan-ting1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；2. Baoshan Iron & Steel Co., LTD. Research Institute, Shanghai 201900, China)

There are difficulties in the transmission electron microscope (TEM) sample preparation of SiC particles reinforced Al-based composite (SiCp/Al) due to the complexity of phase constitute, since it needs positional sampling and large range of observation for studying the nexus between SiC and other constituted phases. In the present work, focused ion beam(FIB)with external picking up was chosen in making simple for TEM. The samples are made into sheet with large area in the vacuum chamber and removed and placed on an attached membrane net outside the vacuum chamber. A plurality of regions can be observed in single sample injection, due to there are multi-chip samples on an attached membrane net. The method was thus proven to be applicable to study the structure of SiCp/Al by TEM. The mother can be used in other materials for high-efficiency and low-cow.

FIB; external picking up; SiCp/Al

2015-11-02

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB619600)

胡 瑩(1981-)，女，吉林白城人，博士生，主要研究方向為復(fù)合材料。Tel.: 201-26641801; E-mail: hu_ying@baosteel.com

張瀾庭(1968-)，男，江蘇丹徒人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為高溫材料、能源轉(zhuǎn)換相關(guān)材料和計算材料學(xué)。

Tel.:021-54747471; E-mail: lantingzh@sjtu.edu.cn

TG 115.21+5.7

A

1006-7167(2016)08-0064-03