場離子顯微鏡和原子探針

1、第9篇 第3章 場離子顯微鏡和原子探針由E.W.Müller在20世紀(jì)50年代發(fā)明的場離子顯微鏡(FIM)，是別具一格的原子直接成像方法，它能清晰地顯示樣品表層的原子排列和缺陷，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的原子探針(AP)和三維原子探針(3DAP) 則可以對(duì)不同元素的原子逐個(gè)進(jìn)行分析，鑒定其元素類別，其中3DAP還可以給出納米空間中不同元素原子的分布圖形。1場離子顯微鏡1.1場離子顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖9.3-1示意說明了場離子顯微鏡結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)真空容器組成，被研究材料的樣品制成針尖形狀，其尖端曲率半徑約為50nm，被固定在距離熒光屏大約50mm的位置。樣品被冷卻至深低溫，以減小原子的熱振動(dòng)，使

2、原子的圖像穩(wěn)定可辨，并接330kV正高壓作為陽極。儀器工作時(shí)，首先將容器抽到10-8Pa的真空度，然后通入氦氣、氖氣或氬氣等成像氣體至10-3Pa。在加上足夠高的電壓時(shí)，樣品尖端附近的氣體原子發(fā)生極化和電離，氣體離子在電場作用下射向熒光屏產(chǎn)生亮斑，在熒光屏上即可顯示尖端表層原子的清晰圖像，如圖9.3-2所示，其中每一亮點(diǎn)都是單個(gè)原子的像。為了使圖像得到增強(qiáng)，在熒光屏前面放置一塊微通道板，當(dāng)氣體離子射入微通道板后，產(chǎn)生一束增強(qiáng)的二次電子，二次電子轟擊到熒光屏上產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)的亮斑。圖9.3-1 場離子顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖通常采用以下方法制備場離子顯微鏡分析用的針尖狀樣品：第一步，先將樣品加工成直徑或邊

3、長小于0.5mm的圓形或方形細(xì)絲，然后在密度較大的惰性液體上注入一薄層（一般68mm厚）電解液，將絲狀樣品垂直放入電解液中進(jìn)行電解拋光，在樣品中部產(chǎn)生頸狀區(qū)，然后對(duì)頸狀區(qū)進(jìn)行更緩慢的電解拋光，直至下半部由于受重力作用而同上半部分離，這樣就得到上下兩個(gè)針尖樣品（圖9.3-3）。然后進(jìn)入第二步，采用顯微電解拋光技術(shù)對(duì)以上針尖進(jìn)一步加工，即用鉑絲彎曲成直徑約2.5mm的小環(huán)作負(fù)極，環(huán)中充滿電解液，將絲狀樣品插入環(huán)中，在樣品和鉑絲間通上脈沖電流，進(jìn)而完成針尖樣品的制備過程，操作在顯微鏡下完成（圖9.3-4）。這種方法還可以用來修整已用過的針尖樣品，以便重新利用該樣品進(jìn)行分析。圖9.3-2 鉑-銠合金單

4、晶的場離子顯微鏡圖像 圖9.3-3 電解拋光示意圖 圖9.3-4 顯微電解拋光示意圖 圖9.3-5聚焦離子束制備針尖狀樣品示意圖最新的進(jìn)展是采用聚焦離子束（FIB)來制備針尖狀樣品。圖9.3-5顯示了用環(huán)形FIB制備針尖狀樣品的過程。該方法不僅可以制備常規(guī)的金屬樣品，還可以制備出垂直于薄膜膜面方向的多層膜針尖樣品，也可以將非常脆的樣品加工成針尖狀。FIB制備針尖狀樣品技術(shù)的發(fā)展為原子探針技術(shù)的推廣起到了很大的作用。1.2場致電離和原子成像如果樣品被加上數(shù)值為U的正電位，它與接地的陰極之間將存在一個(gè)發(fā)散的電場，并以曲率半徑r極小的尖端表面附近產(chǎn)生的場強(qiáng)E為最高：EU/5r （1） 當(dāng)成像氣體進(jìn)入

5、容器后，受到自身動(dòng)能的驅(qū)使可能會(huì)有一部分達(dá)到陽極附近，在極高的電位梯度作用下氣體原子發(fā)生極化，即中性原子的正、負(fù)電荷中心分離而成為一個(gè)電偶極子。盡管樣品尖端的晶體表面近似地呈半球形，可是由于原子的不可分性，這一表面實(shí)際上是由許多原子平面的臺(tái)階所組成，處于臺(tái)階邊緣的原子（圖9.3-6中畫有陰影的原子）總是突出于平均的半球形表面而具有更小的曲率半徑，在其附近的場強(qiáng)也更高，氣體原子在這些位置發(fā)生場致電離成為帶正電的離子。這些氣體離子由于受到電場的加速而徑向地射出，撞擊熒光屏形成亮點(diǎn)。圖9.3-6 場致電離過程和表面上突出原子像亮點(diǎn)的形成為了使極化氣體電離所需要的成像場強(qiáng)Ei，主要取決于樣品材料、樣品

6、溫度和成像氣體外層電子的電離激發(fā)能。幾種典型的氣體成像場強(qiáng)Ei見表9.3-1。對(duì)于常用的惰性氣體氦和氖，Ei400MV/cm或40V/nm；根據(jù)式（1），當(dāng)r=10300nm時(shí)，在尖端表面附近產(chǎn)生這樣高的場強(qiáng)所需要的樣品電位U并不高，僅為550kV左右。表9.3-1 幾種氣體的成像場強(qiáng)氣體Ei(MV/cm)氣體Ei(MV/cm)HeNeH2450370230ArKr2301901.3圖像的詮釋如上所述，場離子顯微鏡圖像中每一個(gè)亮點(diǎn)，實(shí)際上是樣品尖端表面一個(gè)突出原子的像。由圖9.3-2我們看到，整個(gè)圖像由大量環(huán)繞若干中心的圓形亮點(diǎn)環(huán)所構(gòu)成，其形成的機(jī)理可由圖9.3-7得到解釋。設(shè)想某一立方晶體樣

7、品細(xì)絲的長軸方向?yàn)?01，則（001）晶面與樣品尖端半球形表面的交線即為一系列同心圓環(huán)，它們同時(shí)也就是表面臺(tái)階的邊緣線。因此，圖像中同一圓環(huán)上的亮點(diǎn)，正是同一臺(tái)階邊緣位置上突出原子的像，而同心亮點(diǎn)環(huán)的中心則為該原子面法線的徑向投影極點(diǎn)，可以用它的晶面指數(shù)表示。圖9.3-7也畫出了另外兩個(gè)011低指數(shù)晶向及其相應(yīng)的晶面臺(tái)階。不難看出，平整的熒光屏上所顯示的同心亮點(diǎn)環(huán)中心的位置，就是許多不同指數(shù)晶面法線的極點(diǎn)投影。如果與晶體學(xué)中關(guān)于“極射赤面投影”的概念相聯(lián)系，我們立即可以理解，兩者極點(diǎn)所構(gòu)成的圖形是完全一致的。所以對(duì)于已知晶體點(diǎn)陣類型的樣品，它的場離子圖像的詮釋是毫不困難的，盡管樣品尖端表面不可

8、能是精確的半球形，所得極點(diǎn)圖形會(huì)有某種程度的畸變。事實(shí)上，場離子圖像總是直觀的顯示了晶體的對(duì)稱性質(zhì)，據(jù)此可以方便地確定樣品的晶體學(xué)位向和各極點(diǎn)的指數(shù)（參看圖9.3-2），以及原子排列時(shí)在晶體中可能產(chǎn)生的缺陷。從圖9.3-7我們還可以看到，場離子顯微鏡圖像的放大倍率M是：M=R/r （2）其中R是樣品至觀察屏的距離，典型的數(shù)值為510cm，所以M大約是106倍。圖9.3-7 場離子顯微鏡圖像中亮點(diǎn)環(huán)的形成及其極點(diǎn)的圖解（樣品為立方晶體單晶）1.4場離子顯微鏡的應(yīng)用場離子顯微鏡技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于表面原子的直接成像，通常只有其中約10%左右的臺(tái)階邊緣原子給出像亮點(diǎn)；在某些理想情況下，臺(tái)階平面的原子也

9、能成像，但襯度較差。對(duì)于單晶樣品，圖像的晶體學(xué)位向特征十分明顯，臺(tái)階平面或極點(diǎn)的指數(shù)化純粹是簡單的晶體學(xué)幾何方法。由于參與成像的原子數(shù)量有限，實(shí)際分析體積僅為10-21m3，因而場離子顯微鏡只能研究在大塊樣品內(nèi)分布均勻且密度較高的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，否則觀察到某一現(xiàn)象的幾率有限。例如，若位錯(cuò)的密度為108cm-2，則在10-10cm2的成像表面內(nèi)將難以被發(fā)現(xiàn)。對(duì)于結(jié)合鍵強(qiáng)度或熔點(diǎn)較低的材料，由于蒸發(fā)場強(qiáng)太低，不易獲得穩(wěn)定的圖像；多元合金的圖像，常常因?yàn)闈舛绕鸱仍斐蓤D像的某種不規(guī)則性，其中各種組成元素的蒸發(fā)場強(qiáng)也不相同，圖像不穩(wěn)定，分析較困難。此外，在成像場強(qiáng)的作用下，樣品經(jīng)受著極高的機(jī)械應(yīng)力（如果Ei

10、=47.5MV/cm，應(yīng)力高達(dá)10kN/mm2），可能使樣品發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的變化，如位錯(cuò)形核或重新排列、產(chǎn)生高密度的假象空位或形變孿晶等，甚至引起樣品尖端的崩裂。盡管場離子顯微鏡技術(shù)存在著上述的一些局限性，由于它能直接給出表面原子的排列圖像，在材料科學(xué)許多理論問題的研究中，仍然是一種獨(dú)特的分析手段。（1） 位錯(cuò) 鑒于上述的局限性，場離子顯微鏡不太可能用來研究形變樣品內(nèi)的位錯(cuò)排列及其交互作用。但是，當(dāng)有位錯(cuò)在樣品尖端表面露頭時(shí)，其場離子圖像所出現(xiàn)的變化卻是與位錯(cuò)的模型非常符合的。圖9.3-8a為Fe-Be合金的場離子顯微圖像，箭頭處為一個(gè)螺旋位錯(cuò)的露頭。本來，理想晶體的表面臺(tái)階所產(chǎn)生的圖像應(yīng)是規(guī)則

11、的同心亮點(diǎn)環(huán)。圖9.3-8b為中子輻照過的壓力容器鋼的場離子顯微圖像，箭頭處為雙螺旋位錯(cuò)的兩個(gè)露頭。圖9.3-8 螺旋位錯(cuò)的場離子顯微圖像 a) 在Fe-Be合金中的單螺旋位錯(cuò) b) 中子輻照過的壓力容器鋼中的雙螺旋位錯(cuò)圖9.3-9 鎢晶界的場離子圖像（2） 界面缺陷 界面原子結(jié)構(gòu)的研究是場離子顯微鏡最早的、也是十分成功的應(yīng)用之一，現(xiàn)有的晶界構(gòu)造理論在很大程度上仰賴于它的許多觀察結(jié)果，因?yàn)閳D像可以清晰地顯示晶界兩側(cè)原子的排列和位向關(guān)系（精度達(dá)±2°）。圖9.3-9是含有一條晶界的金屬鎢的場離子圖像。顯然，它由兩個(gè)不同位向的晶體組成；我們可以看到，晶界兩側(cè)原子的配合是十分緊密

12、的。此外，利用場離子顯微鏡還可以在原子分辨的水平上研究第二相析出或有序化轉(zhuǎn)變過程。場離子顯微鏡作為一種表面分析儀器，也應(yīng)用于外延生長，氧化與腐蝕等方面的研究。將樣品進(jìn)行脈沖加熱，通過原子的遷移，還能測定表面擴(kuò)散速率等。2 原子探針及其應(yīng)用在場離子顯微鏡中，如果場強(qiáng)超過某一臨界值，將發(fā)生場致蒸發(fā)，即樣品尖端處的原子以正離子形式被蒸發(fā)，并在電場的作用下射向熒光屏。Ee叫做臨界場致蒸發(fā)場強(qiáng)，某些金屬的蒸發(fā)場強(qiáng)Ee如表9.3-2所示。表9.3-2 某些金屬的蒸發(fā)場強(qiáng)金屬難熔金屬過渡族金屬SnAlEe(MV/cm)400500300400220160由于表面上突出的原子具有較高的位能，總是比那些不處于臺(tái)

13、階邊緣的原子更容易發(fā)生蒸發(fā)，它們也正是最有利于引起場致電離的原子。所以，當(dāng)一個(gè)處于臺(tái)階邊緣的原子被蒸發(fā)后，與它挨著的一個(gè)或幾個(gè)原子將突出于表面，并隨后逐個(gè)地被蒸發(fā)；據(jù)此，場致蒸發(fā)可以用來對(duì)樣品進(jìn)行剝層分析，顯示原子排列的三維結(jié)構(gòu)。場致蒸發(fā)現(xiàn)象的一個(gè)應(yīng)用是所謂的“原子探針”，第一臺(tái)原子探針也是由E.W.Müller等人在1968年制造出來的，它可以用來鑒定樣品表面單個(gè)原子的元素類別，其工作原理如圖9.3-10所示。圖9.3-10 原子探針結(jié)構(gòu)示意首先，在低于Ee的成像條件下獲得樣品表面的場離子圖像，通過調(diào)節(jié)樣品的位向，使欲分析的某一原子像點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)熒光屏的小孔，它可以是偏析的溶質(zhì)原子或細(xì)小

14、的沉淀物相等等。當(dāng)樣品被加上一個(gè)高于蒸發(fā)場強(qiáng)的脈沖高壓時(shí)，該原子的離子可能被蒸發(fā)而穿過小孔，配上飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，離子到達(dá)飛行管道的終端而被高靈敏度的離子檢測器所檢測。若離子的價(jià)數(shù)為n，質(zhì)量為m，飛行速度為v，則其動(dòng)能為：neU=1/2mv2其中U為脈沖高壓?？梢姡x子的飛行速度取決于離子的質(zhì)量，如果測得其飛行時(shí)間t，而樣品到檢測器的距離為s，則我們可以計(jì)算出離子的質(zhì)荷比 （3）由此可以達(dá)到逐個(gè)檢測原子并進(jìn)行化學(xué)成分分析的目的。但它只能獲得不同原子在一個(gè)方向（深度方向）的位置信息。原子探針具有極佳的深度方向分辨率，為0.2nm。進(jìn)行原子探針分析時(shí)，原子逐個(gè)從試樣表面蒸發(fā)出來。通常探測孔的直徑為2

15、3mm，而場離子顯微鏡圖像的放大倍率一般為106，對(duì)應(yīng)于樣品尖端表面上直徑為23nm的范圍，蒸發(fā)樣品尖端表面上一個(gè)原子面可收集到穿過探測孔的50100個(gè)原子。把這些原子作為一個(gè)數(shù)據(jù)組，即可得到原子面上各組元的面濃度。逐層蒸發(fā)試樣，可得到沿深度方向的成分分布，其位置精確度為一個(gè)晶面間距。如探測小柱體穿過界面時(shí)，可獲得界面附近的元素分布。FeZrB是90年代研制出來的軟磁材料。該材料經(jīng)熔融快速凝固成非晶后，在650退火60min，即可獲得最佳軟磁性能。透射電鏡(TEM)和穆斯堡爾譜儀等方法的研究結(jié)果表明，此時(shí)材料的微結(jié)構(gòu)為納米尺寸的a-Fe晶體和非晶的混合物。但這些方法無法得到納米晶區(qū)和非晶區(qū)中合

16、金元素的分布，因而無法把握合金元素(如硼)和第四添加組元的作用及其對(duì)軟磁性能的影響，而原子探針的分析可彌補(bǔ)其不足。圖9.3-11為原子探針對(duì)非晶FeZrB經(jīng)450退火60min后的分析結(jié)果。橫坐標(biāo)表示試樣的探測深度，縱坐標(biāo)表示某一組元的濃度，兩條垂直虛線之間是a-Fe相，其余均為非晶相。從圖9.3-11可清晰地看到，Zr原子幾乎完全被排出a-Fe，而B元素仍過飽和地溶解在a-Fe相中，各元素局域濃度的定量值見圖9.3-12。圖9.3-12為對(duì)應(yīng)于圖9.3-11的累積成分剖面圖，橫坐標(biāo)表示探測到的總原子數(shù)，縱坐標(biāo)為探測到某一種組元的原子數(shù)。因此該曲線在各處的斜率即為試樣中該處的局域濃度。從圖9.

17、3-11可清楚看到，在a-Fe與非晶相的界面處，Zr的局域濃度明顯高于非晶相中的濃度，說明Zr原子在生長中的a-Fe相邊緣富集。這表明大溶質(zhì)原子的長程擴(kuò)散過程有效地控制著a-Fe相的長大，這是FeZrB中形成納米晶的重要原因之一。圖9.3-11 Fe90Zr7B3在450退火60min后的Fe、Zr和B的濃度隨深度的分布圖（圖中Cav為平均濃度，為標(biāo)準(zhǔn)偏差）圖9.3-12 對(duì)應(yīng)于圖9.3-10的原子探針累積成分剖面圖（曲線的斜率即為樣品中該組元的局域濃度，a-Fe/非晶相界面處Zr濃度較高）圖9.3-13 Fe-7Zr-3B-1Cu經(jīng)450退火60min后的Fe、Zr、B和Cu的濃度隨深度的分

18、布圖（圖中Cav為平均濃度，為標(biāo)準(zhǔn)偏差）對(duì)添加Cu的Fe-7Zr-3B-1Cu合金, 原子探針研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cu原子在a-Fe結(jié)晶以前形成富Cu的原子團(tuán)簇(cluster)。在a-Fe形核生長階段，它會(huì)緊靠著富Cu原子團(tuán)簇(圖9.3-13)生成，這表明添加Cu元素增加了a-Fe相的形核密度，細(xì)化了a-Fe相的晶粒尺寸，從而提高了軟磁性能。3三維原子探針3.1三維原子探針的結(jié)構(gòu)三維原子探針大約是在1995年才推向市場的新型分析儀器，是在原子探針的基礎(chǔ)上發(fā)展的：在原子探針樣品尖端疊加脈沖電壓使原子電離并蒸發(fā)，用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀測定離子的質(zhì)量/電荷比來確定該離子的種類，用位置敏感探頭確定原子的位置（見

19、圖9.3-14）。它可以對(duì)不同元素的原子逐個(gè)進(jìn)行分析，并給出納米空間中不同元素原子的三維分布圖形，分辨率接近原子尺度，是目前最微觀、且分析精度較高的一種定量分析手段。因此三維原子探針可以直接觀察到溶質(zhì)原子偏聚在位錯(cuò)附近形成的Cottrell 氣團(tuán)，可以分析界面處原子的偏聚，研究沉淀相的析出過程、非晶晶化時(shí)原子擴(kuò)散和晶體成核的過程，分析各種合金元素在納米晶材料不同相及界面上的分布等。目前它的應(yīng)用范圍還局限于導(dǎo)電物質(zhì)，如果能實(shí)現(xiàn)采用激光激發(fā)產(chǎn)生離子，則可用于非導(dǎo)電物質(zhì)。由于它不能獲得晶體結(jié)構(gòu)方面的信息，所以有時(shí)還需要配合使用高分辨透射電鏡進(jìn)行分析。圖9.3-14 三維原子探針的結(jié)構(gòu)示意圖3.2三維

20、原子探針的應(yīng)用舉例133.1 Cottrell氣團(tuán)的直接觀察 溶質(zhì)原子偏聚在位錯(cuò)附近對(duì)位錯(cuò)的釘扎是了解合金元素影響材料各種力學(xué)性能的重要基礎(chǔ)。Cotrell 和Bilby在1949年提出了一個(gè)假設(shè)：鋼中C原子在位錯(cuò)附近偏聚后會(huì)圍繞著位錯(cuò)形成氣團(tuán)，人們稱之為Cottrell氣團(tuán)，對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用。用這種假設(shè)可以解釋低碳鋼中屈服和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。從那時(shí)起，溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用就受到廣泛注意。但是，直接觀察到Cottrell 氣團(tuán)，還是在出現(xiàn)三維原子探針后才實(shí)現(xiàn)的。 如同鋼中存在C原子偏聚在位錯(cuò)附近形成的Cottrell氣團(tuán)，B原子在FeAl有序合金位錯(cuò)附近偏聚也會(huì)形成Cottrell氣團(tuán)。

21、圖9.3-15是利用三維原子探針對(duì)FeAl有序合金的分析結(jié)果。含有0.04at.%B元素的FeAl(40at%Al)合金，有序化后是B2結(jié)構(gòu)，晶體的(100)面是超點(diǎn)陣面，F(xiàn)e和Al原子相互交替占據(jù)該面。圖中只給出垂直于刃型位錯(cuò)線截面上的一層Al原子，可以分辨出Al原子排列構(gòu)成的原子面，面間距約為0.29nm，從前面自左而右數(shù)至第21個(gè)原子面，然后從這個(gè)原子面后端自右向左數(shù)至原來開始的的那個(gè)原子面，共有22個(gè)原子面，這說明圖中存在一個(gè)自上而下的刃型位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)的示意圖畫在圖的左上方。B原子圍繞著刃型位錯(cuò)成細(xì)圓柱狀分布，即Cottrell氣團(tuán)，每一個(gè)點(diǎn)表示測量得到的一個(gè)B原子。氣團(tuán)中B元素的最

22、高含量為3.0at%，平均含量為2.0at%，是B元素添加量的50倍。形成B原子的Cottrell氣團(tuán)后，F(xiàn)eAl合金單晶體的應(yīng)力應(yīng)變曲線中也出現(xiàn)了明顯的上下屈服點(diǎn)。圖9.3-15 有序FeAl合金中硼原子在刃型位錯(cuò)附近的Cottrell氣團(tuán)圖9.3-16 B、C、P原子在深沖鋼板晶界(GB)附近的三維分布圖及其在晶界附近的濃度分布3.2 B元素在深沖鋼板晶界上的偏聚超低碳的IF深沖鋼板是汽車制造工業(yè)中的一種重要原材料。降低C元素和N元素可以提高鋼板的成型性能，但會(huì)降低晶界的的結(jié)合力，在經(jīng)受深沖變形時(shí)會(huì)造成晶間的脆性斷裂，而添加微量B元素是一種補(bǔ)救的辦法，且不影響成型性能。用示蹤原子和俄歇電子

23、譜方法研究的結(jié)果表明，B原子在再結(jié)晶初期就會(huì)偏聚在晶界上，起到強(qiáng)化晶界的作用。研究B原子在晶界上偏聚的情況，三維原子探針是最合適的方法，前提是在試樣的針尖上存在晶界。圖9.3-16是三維原子探針的分析結(jié)果，可以看出B原子偏聚在晶界上，并延伸到晶界兩側(cè)11.5nm處。B元素在晶界上的濃度是添加含量的250倍，在再結(jié)晶的初期，P元素不發(fā)生明顯的晶界偏聚。3.3 鋁合金中彌散相的析出過程 淬火固溶處理然后時(shí)效沉淀強(qiáng)化是增加Al合金強(qiáng)度和硬度的有效方法。Al-Cu合金是一種典型的代表，添加微量Mg和Ag元素后，除了q（CuAl2）沉淀相外，還出現(xiàn)了一種W相。圖9.3-17是Al-1.7Cu-0.3Mg

24、-0.2Ag合金經(jīng)過固溶時(shí)效處理后（190-8h）的TEM明場像，顯示有片狀的q和W相，與<211>痕跡一致的薄片是在111面上的W相，與011痕跡一致的薄片是在（001）面上的q 相。W相熱穩(wěn)定性好，不易聚集長大，有利于提高合金的高溫強(qiáng)度。用三維原子探針研究這種Al合金在淬火時(shí)效時(shí)q相和W相的形成過程，可揭示W(wǎng)相熱穩(wěn)定性好的原因。圖9.3-17 Al-1.7Cu-0.3Mg-0.2Ag合金經(jīng)過固溶時(shí)效處理后（190oC-8h）的TEM明場象圖9.3-18 Al-1.7Cu-0.3Mg-0.2Ag合金在180oC-10h時(shí)效后用三維原子探針分析獲得的結(jié)果Al-1.9Cu-0.3Mg

25、-0.2Ag合金樣品固溶處理后在180時(shí)效15s，從三維原子探針的分析結(jié)果中可以看到形成了Mg-Ag富集的GP區(qū)，其中不含Cu元素。在180繼續(xù)時(shí)效時(shí)，Cu原子 向Mg-Ag富集的GP區(qū)中擴(kuò)散，形成了20at%Cu-20at%Mg-10at%Ag的111GP區(qū)，繼續(xù)時(shí)效，Mg和Ag原子從GP區(qū)中心遷移至析出相與a-Al的界面處， GP區(qū)轉(zhuǎn)變成W相， W相的中心部位含33at%Cu元素。圖9.3-18 a是樣品在180時(shí)效10h后，用三維原子探針獲得的分析結(jié)果， W相平行于(111)面而q 相平行于(100)面。圖9.3-18b和圖9.3-18c是對(duì)應(yīng)于圖9.3-18a中b、c直線處的W相和q

26、相斷面中Cu、Mg、Ag原子的濃度分布，可以看出Mg和Ag原子聚集在W相/基體界面上，W相生長時(shí)Mg和Ag原子必須先要向基體中擴(kuò)散，所以W相熱穩(wěn)定性好，不易長大。3.4多層膜材料界面的分析多層薄膜材料是一種具有巨磁阻現(xiàn)象的功能薄膜材料，用作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和記錄，通過多種不同元素交替沉積而成。圖9.3-19是用三維原子探針分析Ni、Co和Cu原子在多層薄膜中的分布結(jié)果，它的針尖狀樣品是用聚焦離子束的方法制備的。薄膜是在高真空環(huán)境中采用濺射沉積的方法制備，在硅的基片上交互沉積不同元素組成的薄層，每層薄膜的成分和厚度是：Ni-20Fe(5nm)/Co-10Fe(4nm)/Cu(3nm)/Co-10Fe(

27、4nm)。從圖9.3-19a可以看出各層界面的粗糙度、界面處不同原子之間的擴(kuò)散混合情況。從圖9.3-19b可以分辨出一層一層的原子面，并且可以看出雖然每一層的成分不同，但他們?cè)诔练e生長時(shí)都是沿著同一個(gè)晶體學(xué)方向111生長，這對(duì)提高薄膜的性能是一個(gè)重要因素?？梢钥闯?，研究多層膜材料顯微組織與物理性能之間的關(guān)系，三維原子探針是一種有效的分析手段。圖9.3-19 a)Ni, Co和Cu原子在多層膜中的三維分布圖(體積為20nm×20nm×35nm )， b)所選區(qū)域兩層膜之間的剖面圖三維原子探針技術(shù)的廣泛應(yīng)用，必將推動(dòng)材料科學(xué)研究工作的發(fā)展，人們將有可能從原子尺度來認(rèn)識(shí)一些目前還

28、不太清楚的問題。參考文獻(xiàn)1. Miller M K, Cerezo A, Hetherington M G, et al. Atom Probe Field Ion Microscopy. Oxford: Oxford Science Publications, Clarendon Press, 1996. 2. 陳世樸，王永瑞. 金屬電子顯微分析. 第一版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1992.3. Blavette D, Deconnihout B, Bostel A, et al. Tomographic Atom Probe. A Quantitative Three-Dimension

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