• 张蕾,
• 袁江淮,
• 崔俊峰,
• 段北晨,
• 陈国新,

• 中国科学院机构宁波材料技术与工程研究所,宁波 315201

与传统材料不同的是,一般难以通过宏观的拉伸、压缩和断裂测试方法来获得涂层材料的力学性能,而是通过显微压缩的方式获得涂层材料的力学性能。相较于传统的压缩式测试方法,微米柱压缩测试方法可以对微米级的柱子提供单轴应力,从而研究材料力学性能的尺寸效应和微塑性,以评价多相材料的变形机制,该方法尤其适用于研究薄膜等小体积材料的力学性能[1-2]。通过微米柱压缩测试可以获得材料的应力-应变曲线,分析材料的弹性变形、塑性流动和应变突变等,对变形后的微米柱进行扫描电镜（SEM）分析,也可以建立起材料微观形貌和力学性能之间的联系[3]。此外,柱子尺寸为微米级别,在小区域内可以减少材料变形过程中复杂的位错反应,因此微米柱压缩测试是一种优良的分析材料变形机制的测试手段[4]。

借助透射电子显微镜（TEM）可以获得材料更微观的结构信息[5-6],所以将变形前后的微米柱制备成透射电镜试样,研究材料变形前后的晶粒形貌、位错分布、位错滑移和孪生等行为,对于揭示材料的强韧化机制,提升材料的抵抗裂纹传播能力、延长材料的寿命,以及提升材料的稳定性尤为重要[7]。

聚焦离子束（FIB）包括聚焦Ga离子束系统和电子束系统,在具备电子束成像功能的基础上,增加了聚焦离子束的加工功能,可以在高倍率电子束成像监控下,发挥聚焦Ga离子束的微细加工能力,是集微纳加工、观察、焊接沉积于一体的多功能仪器[8]。特别是在透射电镜试样的制备方面[9],与传统的离子减薄和电解双喷技术相比,FIB可针对材料特定位置有针对性地定点取样减薄,以供透射电子显微镜进行进一步相关分析,这一特点恰好适用于需要精准定位加工位置的微米柱试样。

利用传统方法,借助聚焦离子束制备微米柱TEM试样时,若只将微米柱部分取出,则会导致微米柱两侧部分无法减薄,从而不能获得完整的纵截面信息。若将微米柱及其周围试样区域一同取出,由于微米柱试样的长径比一般大于2∶1,因此很难均匀地在微米柱侧面及表面镀上保护层,从而造成试样最终的薄区不完整、厚度不均匀,且容易发生变形[10],这给研究材料的变形机制带来一定的阻碍。

为了制备高质量微米柱TEM试样,笔者以Cr2AlC涂层为例,详细介绍了一种基于微米柱的透射电镜试样制备方法。

1. 试样制备方法

1.1 仪器与试样位置

采用ThermoFisher Helios G4 CX型聚焦离子束场发射双束扫描电子显微镜和JEOL F200型冷场发射透射电子显微镜进行试样制备。

试样为压缩后直径为1.5 μm,高度为3 μm的Cr2AlC涂层微米柱,用导电胶将试样固定在试样台上,在聚焦离子束场发射双束扫描电子显微镜中确定待切割的微米柱位置。ThermoFisher Helios G4 CX型聚焦离子束双束扫描电镜共配备了Pt和C两支气针,安装位置与试样位置的相对关系如图1所示。

图 1试样、TEM、气针的位置关系示意

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1.2 沉积保护层

将试样台T轴旋转52°,首先利用离子束诱导方法在待切割的微米柱右侧沉积一层Pt保护层,沉积条件为30 kV,0.43 nA,利用电子束实时观察沉积厚度,使其与微米柱高度相同,沉积效果如图2（a）所示；其次利用离子束诱导方法在待切割的微米柱左侧沉积一层C保护层,沉积条件为30 kV,0.43 nA,利用电子束实时观察沉积厚度,使其与微米柱高度相同,沉积效果如图2（b）所示；最后在微米柱及刚沉积的保护层上方再次利用离子束诱导的方法沉积一层Pt保护层,沉积条件为30 kV,0.43 nA,设置沉积厚度为1.5 μm,沉积效果如图2（c）所示,得到待切割的微米柱试样。

图 2微米柱沉积保护层后微观形貌

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1.3 TEM试样制备

采用与常规块体试样相同的“H-bar Liftout”[11-12]透射电镜试样制备方法,利用高强度离子束将微米柱连同保护层下方区域四周的材料去除,形成长为10 μm,深为6 μm,厚为1 μm的微米片,将试样台旋转至0°,采用U切方法切断微米片底部与大块试样的连接,再利用纳米机械手将微米片从大块试样上提取出来,再转移并焊接至半分铜载网上,最后利用离子束将微米片减薄至TEM可观察的厚度。

2. 试样制备结果

图3（a）为只将微米柱部分取出的传统制样方式所制得的TEM试样。由图3（a）可知,黄色框中区域为直径1.5 μm的微米柱。这种制样方式仅将微米柱部分取出,且不包含周围试样区域,因此在试样转移、焊接与减薄的过程中,必须保留微米柱两侧较厚区域,用于支撑整个试样,使其不发生变形或塌陷,最终得到的薄区仅为微米柱中心区域,而对于经过压缩变形后微观结构发生较多变化的两侧边缘位置,由于该位置厚度较大而无法进行TEM分析。图3（b）为分3次沉积保护层方法制得的微米柱TEM试样。由图3（b）可知,黄色框中区域为直径1.5 μm的微米柱,其左右两侧及顶端均存在保护层,这就确保了微米柱两侧边缘区域在减薄过程中不受离子束损伤,从而得到拥有完整纵截面信息的TEM试样。

图 3传统制样及3次沉积保护层方法制得的微米柱TEM试样微观形貌

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Cr2AlC作为一种MAX相材料,其在发生塑形变形时会出现断裂、分层等现象,且这些微观结构的变化多发生在微米柱顶端及两侧边缘处[13-14]。压缩后微米柱试样的TEM观测结果如图4所示。由图4可知：微米柱顶端及两侧边缘处薄区完整,晶粒形貌清晰；在微米柱两侧边缘位置的高分辨透射电镜（HRTEM）图中,晶格条纹清晰可见；从对应的选区电子衍射图可以看出,薄区几乎没有非晶层的存在。

图 4压缩后微米柱试样的TEM观测结果

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3. 结语

通过在微米柱左右两侧及上表面分别沉积保护层,可将待切割的微米柱包裹在保护层内,从而减少在减薄过程中离子束对微米柱两侧及上表面的损伤,特别是对压缩变形后微米柱上产生的变形、裂纹等重点区域进行了有效保护。制备的TEM试样较为完整,且厚度薄,可用于HRTEM观测。该制备方法对深入研究材料的变形机制,阐明材料的强化机制,提高材料的强度和韧性具有重要意义。