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1、原子探针 场离子显微镜 FIM n1 场离子显微术原理 n1 1 试样准备 n 这是FIM实验中十分关键的一个步骤 典 型的已制备好的FIM试样是很细的针 尖端 n曲率半径约为20 100 nm 制备针尖的初始 材料一般是直径为0 1 0 3 mm的细丝 可 以由冷拔丝直接获得或由电火花切割成小方棒 再磨制而成 n 合金FIM试样用电解抛 光法制成 制备电镜薄 膜试样的电解液和抛光 条件 也适用于制备 FIM针尖 但有时要稍 稀一些 使抛光速度减 慢便于控制 n具体电解抛光法见图 抛光常分两阶段 第一阶段抛光速度可以较快 直到在试样下部某处出现比其它部分截面要细 的 腰 为止 第二阶段放慢抛光
2、速度 使 腰 部 逐渐变细 试样在该处断裂的瞬间 马上切断电 源 终止抛光 整个抛光过程用立体显微镜监视 控制针尖形状和切断电源的时间 有经验的实 验者可以用光学显微镜来判断已抛成的样品尖端 是否符合FIM观察的要求 1 2 FIM原理 1 2 1仅器与成像原理 n1 2 2 成像气体的场电离 field ionization n 在强电场作用下 紧靠金属表面的气体 原子通过量子力学隧道效应 失去电子变 为正离子的现象称场电离 1 2 3 金属原子的 场蒸发 Field Evap oration 针尖试样上施加足够 强的电场强度后 表 面原子会离开试样 形成正离子 这个过 程称为场蒸发 如果
3、试样表面已吸附了一 层气体原子 施加一 定强度的电场后 可 去除此吸附层 这个 过程称场脱附 Field Desorption 1 3 电场诱导应力 n 带电电容器的两极之间存在着相互吸引力 在FIM中也存在类似的力 不过其中一个电 极 针尖 非常小 因此在样品顶部存在很高 的局部应力 对一个表面电场强度为F0的带 电球 垂直于表面的应力 0为 1 4 FIM的工作范围 n 只有在一定工作条件下 才能使试样不断 n裂 并获得清晰的FIM像 由于成像气体的电离 n场F1 试样的蒸发场FE和使试样断裂的应力对 n应的电场FY都与温度有关 只有当FE大于F1 并 大于最佳成像电场FBIF时 才能得到
4、稳定的FIM像 否则在还未达到清晰的像时 试样己开始蒸发 无法形成稳定的像 1 5 放大倍数与分辨率 n1 5 1 放大倍数 n FIM结构比较简单 成像时不需要透镜 如果 FIM试样与荧光屏构成两个同心球 则成像离子轨 道垂直于试样表面 放大倍数 可由下式给出 n式中r为试样半径 R为试样表面到荧光屏的距离 R十r 为荧光屏球的半径 实际上试样为针状 正离子运动轨迹开始时垂直试样表面以后由于针 杆上及样品支架上的正 n电场将使其轨迹向试样轴方向弯曲 放大倍数会 减小 见图 1 5 2 分辨率 n所谓分辨率是指显微镜所能分辨的物空间 的最小距离 n当放大倍数为M时 定义FIM分辨率 为 n 主
5、要有三个因素决定分辨率 n 1 成像气体原子的场电离并不仅仅发生在离 试样表面某些原子的距离为x0处的几个确定的点 而是发生在直径为 0的 电离圆盘 中 0的 经验值为0 15 0 35mm 是限制0K时分辨率 的主要因素 n 2 由测不准关系导致的成像离子切向动量不 确定性引起的像尺寸扩展 u n 3 成像离子平行于表面的切向热运动造成的 像尺寸的扩展 t n把这三个因素合并在一起 得到FIM的分辨率 1 6 合金的成像衬度 1 6 1 无序固溶体 合金的成像机理比较复杂 这是因为各种元素在合金 中的场电离和场蒸发行为不同 试样表面电荷会向电 负性大的一方原子转移 电负性小的原子周围局部电
6、场增强 成像气体电离几率增加 其像较亮些 这是 选择电离 机理 1 6 2 有序合金和化合物 1 6 3 不同相的衬度 过饱和固溶体分解时 沉淀出第二相 与基体相 比 大部分沉淀相显示出亮的或暗的衬度 这种衬 度主要决定于沉淀相与基体相两者场蒸发行为的差 异 如果沉淀相比基体难以场蒸发 则随场蒸发过 程的进行 它将从试样表面突起来 该处局部电场 强度高 因而场电离几率也高于其周围基体 沉淀 相在FIM像上形成亮区见图4 15b 反之如沉淀相 比基体容易场蒸发 则在FIM像上呈暗区 通常熔 点愈高的相 衬度愈亮 此外 析出相的衬度还依 赖于试样的温度和成像气体的种类 沉淀相的成分只能用原子探针来
7、确定 当合金 中析出几类不同的沉淀相 但其衬度非 2 原子探针 AP 2 1 飞行时间AP 2 1 1 原理 最简单的AP是飞行时间AP TOFAP 称为常规 AP n 由于离针尖表面数纳米内 电场强度急骤下降 作为较好的一级近似 可以认为 刚离开试样 表面 离子即被瞬时地加速到它们的最后速度 设试样上所加电压为V 发生场蒸发时 试样表 面处正离子的电势能全部变为动能 式中m ne和v分别为离子的质量 电荷和速度 若试样 顶端到探测器的距离为L 则 2 1 2 装置设计 2 2 AP分析 n2 2 1 AP分析方法 常用的AP分析方法有三种 单原子种类 识别 选区分析和随机区域分析 即沿深度
8、方向的成分剖析 可以根据研究间题的性质 选用相应的AP分析方法 2 2 2 数据的表示 AP实验过程中 最原始的记录是按离子被收集 到的先后次序 显示其质荷比 同时亦列出蒸发各 个离子所需的脉冲数 这种原始显示 可直接用于 数据量很少的单原子识别 为了从中取得更多的信 息 发展了很多软件 可得到质谱图 符号图 沿 深度方向成分剖析图 阶梯图 累积剖析图等 可 以根据研究间题的需要 分别采用其中的几种数据 表示法 n2 2 3数据分析 n 对于AP分析法中的单原子种类识别和选 区分析 关键是选择合适的实验条件 如 Vp VDC比值 试样温度 场蒸发速率等 其结果十分直观 除作一般的误差分析外 不
9、必作特殊的数据处理 但对随机区域 分析 得到的是分析小柱体中 成分沿深 度方向的变化 n2 3 其他类型的原子探针 n 1 成像原子探针 IAP n 2 能量补偿原子探针 ECAP n 3 脉冲激光探针 PLAP n 4 三维原子探针 3 1 表面物理 n 用AP FIM研究表面时 在看到表面原子排列 的同时 还可以鉴别单个原子的种类 目前为研 究表面现象而设计的AP FIM 其真空度高达1 9Pa 场蒸发后 试样的表面十分清洁 这是用 AP FIM研究表面现象的最大优点 n1 单原子吸附在表面的结合能 n2 表面扩散 3 2 晶体缺陷 n3 2 1 点缺陷 n FIM能分辨出单个原子可以直接
10、看到的点 缺陷 应该是研究点缺陷的有力工具 但由 于FIM像衬度解释上的困难 即暗位置与空 位 或亮点与间隙原子之间常常不是一一对 应关系 FIM的结果在定量上并不完全正确 另外 由于试样体积很小 约为10 21m3数 量级 在求点缺陷的浓度时 统计性较差 n3 2 2 位错 n3 2 3 面缺陷 面缺陷主要包括晶界 相界 层错和反相畴界等 在FIM像中如果晶界或相界优先蒸发 则它们为一 暗线 且在界面处两侧的环状结构互不连续 晶界的 FIM像首次令人信服地证明 纯金属中大角晶界不是 厚的液态膜 晶界宽度只有1 2个原子层 从而结束 了数十年关于晶界宽度的争论 3 3 合金中的相变 n1 有序一无序相变 n2 形核长大型相变 n3 失稳分解 spinodal分解
