[发明专利]一种精制非晶态固体合金三维重构透射电镜样品的工艺方法及评价方法

说明书

本发明涉及一种精制非晶态固体合金三维重构透射电镜样品的工艺方法及评价方法。本发明的工艺方法包括步骤1，制备形状呈薄膜状或具有纳米尺度针尖状端部的非晶态固体合金透射电镜样品；步骤2，测量非晶态固体合金透射电镜样品的材料中原子结合键断裂能量；步骤3，去除非晶态固体合金透射电镜样品的表面损伤层；步骤4，对去除表面损伤层的非晶态固体合金透射电镜样品的效果评价。本发明能够将非晶态固体合金三维重构透射电镜样品制备过程中产生的表面损伤层去除，并对表面损伤层的去除效果进行准确评价，为非晶态固体合金的原子团簇形貌和空间分布的准确表征提供了保障，进而为改善非晶态固体合金材料的宏观性能奠定了基础。

技术领域

本发明属于金属功能材料制备技术领域，特别是涉及一种精制非晶态固体合金三维重构透射电镜样品的工艺方法及评价方法。

背景技术

材料的微观结构是实现材料宏观性能的基础，而成份相同，微观结构不同的材料可显示出差异明显的宏观性能，因此，借助现代高技术手段对材料微观结构进行调控是实现材料多种性能优化的重要途径，支撑着材料科学和技术的快速、持续发展。要调控材料的微观结构，就必须先知道材料微观结构，对材料微观结构的调控效果也需要通过微观结构表征才能对进行准确评价，所以材料微观结构的表征对于材料微观结构的调控至关重要。透射电子显微镜具有非常高的空间分辨率，可以在原子尺度上表征材料微结构。由于电子与物质的相互作用非常强，高能电子束在材料中能量损失的很快，能够穿透的材料厚度非常有限，只有非常薄的样品才适合透射电子显微镜观测，极大地限制了透射电子显微镜对材料微观结构的表征。要将固体材料制备成适合透射电子显微镜观测的薄膜需分别利用机械研磨和离子轰击薄化等一系列方法来减小样品的厚度。将固体表面原子直接去除所需要的能量等于其升华能，升华能等于原子的全部结合键能量之和，因此升华能的大小取决于结合键的强弱和结合键的数量。所以要将原子从材料表面去除掉，必须先使被该原子与周围原子的结合键断开，原子间结合键的断裂意味着对初始原子分布结构的损伤，所以机械研磨和离子轰击薄化在使表面物质脱离样品，降低样品厚度的同时也损伤了样品的表面结构。离子轰击薄化是透射电子显微镜样品制备过程的最后一个程序，在离子轰击薄化过程中样品表面损伤层厚度即与入射离子能量成正比，能量越高，损伤层越厚，也与离子束的入射角度成正比，入射角度越大，损伤层也就越厚。晶态材料的特征是原子分布的长程有序，原子间结合键断裂会造成原子排列方式的混乱，改变了原子的长程有序分布，形成短程有序的非晶态结构。在透射电子显微镜薄膜样品制备过程中晶态材料的表面损伤以非晶态的形式存在。非晶态材料结构特征是短程有序，当非晶态材料表面发生原子间化学键断裂时，同样会造成原子排列方式的改变，形成新的短程有序分布。如果在离子轰击薄化过程中非晶态材料局部的温度升高到一定程度，也会导致晶化现象，产生微小的晶粒。所以在透射电子显微镜薄膜样品制备过程中非晶态材料的表面损伤以不同非晶态结构或微小晶粒的形式存在。由于减小样品厚度的过程总是伴随着样品表面结构的破坏，所以在利用透射电子显微镜进行材料微观结构表征时，样品表面损伤层的影响是不能被排除。因为入射电子束穿过整个薄膜样品后才成像，电子束经过表面损伤层时，由于电子与物质发生相互作用，穿过损伤层后的电子束就携带了损伤层的结构信息，这样就使样品表面损伤层也会在透射电子显微图像中产生衬度效应，样品表面损伤层越厚，产生的衬度越明显，被损伤的表面结构与材料的真实结构同时叠加在电子显微图像中，必定对材料微观结构特征形成一定的干扰。

根据成像模式和成像条件的不同，以及表面损伤程度，表面结构损伤层既可能以背底噪音的方式影响材料微观结构图像的清晰度，也可能形成损伤层自身的影像，比如表面重构像等出现在透射电子显微图像中。表面损伤图像与材料真实结构图像叠加在一起，必定会在一定程度上扭曲真实结构的图像，增加图像的复杂性，因为表面损伤图像的存在既可能改变材料真实结构图像，也可能沿入射电子束方向表面损伤图像直接取代了在相同位置的材料真实结构图像，造成虚假的微观结构图像。因此，去除薄膜样品表面损伤，能够消除表面损伤对材料真实结构图像的影响，有效改善真实结构图像的清晰度和准确度，避免虚假微观结构图像的出现，进而为材料微观结构分析和评价提供更多和更详细的信息。