一种透射电镜金属试样制备方法

摘要

本发明公开了一种透射电镜金属试样制备方法，包括机械加工、激光开斜孔和酸洗-清洗斜孔周边区域；主要适用于铁、镁、Ti等常规金属。具体讲是，首先采用机械加工方法通过切割、磨削等方式使金属片初步达到使金属试样厚度50-100μm；然后，采用波长小于1064nm的短或超短脉冲激光对金属薄片以30-60°倾角进行打斜孔加工；针对不同金属采用恰当的酸性或碱性溶液，对金属薄片激光开孔区域进行酸洗或碱洗后随即用常规有机溶剂清洗，酸洗-清洗或碱洗-清洗清洗过程重复1-3次。本发明相对于离子减薄制备透射电镜试样缩短了周期，试样的后期处理比较简单，且降低了成本。

权利要求

1.一种透射电镜金属试样制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、采用机械切割方法将金属切割成厚度为0.2-0.5mm的金属片，将所述金属片磨削加工至50-100μm厚，磨削加工过程中，控制金属片的温度小于100℃，以保证金属试样组织不发生改变；

步骤二、采用脉宽为纳秒或皮秒或飞秒级的激光器对上述金属片进行激光开孔，激光器的激光波长小于1064nm，激光光束与金属片表面的倾角为30-60°，激光辐射作用后在金属片上开出斜孔；

步骤三、对金属片上斜孔处进行酸洗或碱洗，并随即清洗，这样的酸洗-清洗或碱洗-清洗过程重复1-3次。

2.根据权利要求1所述的一种透射电镜金属试样制备方法，其特征在于，酸洗所采用的酸性溶液是下述酸性溶液之一：高氯酸与无水乙醇的混合溶液，其中，高氯酸与无水乙醇的体积浓度比为1：20-30；

氢氟酸与无水乙醇的混合溶液，其中，氢氟酸与无水乙醇的体积浓度比为1：4-8；

硝酸与无水甲醇的混合溶液，其中，硝酸与无水甲醇的体积浓度比为1：10-20；

硫酸与无水甲醇的混合溶液，其中，硫酸与无水甲醇的体积浓度比为1：5-20；

硫酸与无水乙醇的混合溶液，其中，硫酸与无水乙醇的体积浓度比为1：5-15；

磷酸与无水乙醇的混合溶液，其中，磷酸与无水乙醇的体积浓度比为1：2-10；

高氯酸与无水甲醇的混合溶液，其中，高氯酸与无水甲醇的体积浓度比为1：50-60。

3.根据权利要求1所述的一种透射电镜金属试样制备方法，其特征在于，碱洗所采用的碱性溶液为氢氧化钠与水的溶液，其中，氢氧化钠水溶液浓度为0.2-2mol/L。

4.根据权利要求1所述的一种透射电镜金属试样制备方法，其特征在于，清洗所采用的清洗液是无水乙醇、去离子水和丙酮中的一种。

说明书

一种透射电镜金属试样制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于电镜样品制备技术领域，尤其涉及一种透射电镜金属试样制备方法。

背景技术

[0002] 透射电子显微镜是研究材料微观结构的重要仪器之一，但是能在透射电镜上观察的前提是透射电镜的电子束能够穿透样品，而且透射电镜观察到的图像的质量强烈依赖于样品的厚度，因此样品被观察的部位必须非常薄。电子束穿透固体样品的能力主要取决于加速电压和样品组成的原子序数。一般来说，加速电压越高，样品原子序数越小，电子束可以穿透样品的厚度就越大，一般样品的厚度要控制在5～200nm。这就给透射电镜制样工作带来很大的难度。对于非粉末材料，成功地观察透射电镜，90％的精力消耗在制样上。目前，透射电镜观察用样品的基本制备方法是减薄技术，先对大块样品冲片，然后采用机械抛光或化学抛光方法预减薄，当材料预减薄到50μm以下再凹坑处理直至30μm左右，最后再减薄。减薄的方法主要有离子减薄和电解双喷两种方法等(杨南如.无机非金属材料测试方法[M]，武汉：武汉理工大学出版社，2004:125-126)。其中，离子减薄法制备试样周期长，而电解双喷法成本高可靠性差，因此，寻找一种更合适的制样方法很有必要。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于针对现有的透射电镜试样制备周期长、成本高的问题，提供一种制备过程简单、成本低、成功率较高的透射电镜试样的制备方法。

[0004] 为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

[0005] 一种透射电镜金属试样制备方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤一、采用机械切割方法将金属切割成厚度为0.2-0.5mm的金属片，将所述金属片磨削加工至50-100μm厚，磨削加工过程中，控制金属片的温度小于100℃，以保证金属试样组织不发生改变；

[0007] 步骤二、采用脉宽为纳米或皮秒或飞秒级的激光器对上述金属片进行激光开孔，激光器的激光波长小于1064nm，激光光束与金属片表面的倾角为30-60°，激光辐射作用后在金属片上开出斜孔；

[0008] 步骤三、对金属片上斜孔处进行酸洗或碱洗，并随即清洗，这样的酸洗-清洗或碱洗-清洗过程重复1-3次。

[0009] 进一步讲，步骤三中，酸洗所采用的酸性溶液是下述酸性溶液之一：

[0010] 高氯酸与无水乙醇的混合溶液，其中，高氯酸与无水乙醇的体积浓度比为1：20-30；

[0011] 氢氟酸与无水乙醇的混合溶液，其中，氢氟酸与无水乙醇的体积浓度比为1：4-8；

[0012] 硝酸与无水甲醇的混合溶液，其中，硝酸与无水甲醇的体积浓度比为1：10-20；

[0013] 硫酸与无水甲醇的混合溶液，其中，硫酸与无水甲醇的体积浓度比为1：5-20；

[0014] 硫酸与无水乙醇的混合溶液，其中，硫酸与无水乙醇的体积浓度比为1：5-15；

[0015] 磷酸与无水乙醇的混合溶液，其中，磷酸与无水乙醇的体积浓度比为1：2-10；

[0016] 高氯酸与无水甲醇的混合溶液，其中，高氯酸与无水甲醇的体积浓度比为1：50-60。

[0017] 步骤三中，碱洗所采用的碱性溶液为W氢氧化钠与水的溶液，其中，氢氧化钠水溶液浓度为0.2-2mol/L。

[0018] 步骤三中，清洗所采用的清洗液是无水乙醇、去离子水和丙酮中的一种。

[0019] 与现有的透射电镜试样的制备方法相比，本发明的突出优点在于：

[0020] (1)相对于离子减薄方法，本发明方法工艺简单，成功率高的透射电镜试样制备方法，缩短了制样周期，降低了成本。

[0021] (2)可利用现有透射电镜样品设备，减少了设备浪费。

[0022] (3)相对于电解双喷法，本发明方法可靠性高，污染小。

具体实施方式

[0023] 下面结合具体实施例对本发明方法做进一步的说明。提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。

[0024] 实施例1：制备透镜电镜金属Fe的试样，其制备过程如下：

[0025] 步骤一、将金属Fe线切割为0.3mm厚的Fe片，通过自动金相试样研磨机将Fe片的厚度磨削至80μm，磨削过程中采用水冷降温，控制整个磨削过程中Fe片的温度小于100℃，以保证Fe试样组织不发生改变；将上述预磨好的Fe片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0026] 步骤二、使用纳秒激光器，该激光器的能量300mJ，频率为1Hz，激光波长采取532nm，通过透镜聚焦，使激光光束与作为靶材的Fe片表面成30度角，激光辐射作用2分钟，从而在Fe片上开出斜孔；

[0027] 步骤三、对带有斜孔的Fe片进行酸洗-清洗：

[0028] 制备高氯酸与无水乙醇的混合溶液作为酸洗的酸性溶液：将2mL的高氯酸缓慢倒入40mL无水乙醇中搅拌获得酸性溶液；

[0029] 酸洗-清洗：用针头吸取上述配制的酸性溶液，对Fe片上激光孔处进行酸洗，随后用无水乙醇清洗该处，这样的酸洗-清洗过程重复两遍；至此制备得到试样；

[0030] 将上述试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0031] 实施例2：制备透镜电镜金属Mg的试样，其制备过程如下：

[0032] 步骤一、将金属Mg线切割为0.3mm厚的Mg片，通过手工磨制将Mg片薄至60μm，将预磨好的Mg片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0033] 步骤二、使用皮秒激光器，激光器的能量为100μJ，频率为1KHz，激光波长采取800nm，通过透镜聚焦，使激光光束与Mg片表面成50度角，激光辐射作用1-3个飞秒脉冲在Mg片上开斜孔；

[0034] 步骤三、将2mL高氯酸缓慢倒入50mL无水乙醇中搅拌制备获得酸洗用的酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Mg片上的激光孔处进行酸洗，酸洗后随即用去离子水清洗该处，重复这样的酸洗-清洗过程三遍，至此制备得到透镜电镜用金属Mg试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0035] 实施例3：制备透镜电镜金属Ti的试样，其制备过程如下：

[0036] 步骤一、将金属Ti线切割为0.3mm厚的Ti片，通过手工磨制将Ti片薄至60μm，将预磨好的Ti片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0037] 步骤二、使用纳秒激光器，激光器的能量为450mJ，频率为2Hz，激光波长采取266nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Ti片成60度角，激光辐射作用1分钟在Ti片上开出斜孔；

[0038] 步骤三、将6mL氢氟酸与25mL无水乙醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Ti片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Ti的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0039] 实施例4：制备透镜电镜金属Al的试样，其制备过程如下：

[0040] 步骤一、将金属Al线切割为0.3mm厚的Al片，通过手工磨制将Al片薄至50μm，将预磨好的Al片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0041] 步骤二、使用飞秒激光器，激光器的能量为50μJ，频率为1kHz，激光波长采取650nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Al片成45度角，激光辐射作用1分钟在Al片上开出斜孔；

[0042] 步骤三、将5mL硝酸与30mL无水乙醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Al片上的激光开孔处进行酸洗，随即用无水乙醇清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Al的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0043] 实施例5：制备透镜电镜金属Cu的试样，其制备过程如下：

[0044] 步骤一、将金属Cu线切割为0.3mm厚的Ti片，通过手工磨制将Ti片薄至60μm，将预磨好的Ti片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0045] 步骤二、使用纳秒激光器，激光器的能量为500mJ，频率为5Hz，激光波长采取1064nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Ti片成50度角，激光辐射作用2分钟在Ti片上开出斜孔；

[0046] 步骤三、将5mL硝酸与80mL无水乙醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Cu片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Cu的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0047] 实施例6：制备透镜电镜金属Ta的试样，其制备过程如下：

[0048] 步骤一、将金属Ta线切割为0.3mm厚的Ta片，通过手工磨制将Ta片薄至60μm，将预磨好的Ta片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0049] 步骤二、使用飞秒激光器，激光器的能量为80μJ，频率为1kHz，激光波长采取800nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Ta片成40度角，激光辐射作用1分钟在Ta片上开出斜孔；

[0050] 步骤三、将6m硫酸与40mL无水乙醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Ta片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Ta的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0051] 实施例7：制备透镜电镜金属Cr的试样，其制备过程如下：

[0052] 步骤一、将金属Cr线切割为0.3mm厚的Cr片，通过手工磨制将Cr片薄至80μm，将预磨好的Cr片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0053] 步骤二、使用飞秒激光器，激光器的能量为80μJ，频率为1kHz，激光波长采取800nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Cr片成40度角，激光辐射作用1分钟在Cr片上开出斜孔；

[0054] 步骤三、将6m硫酸与40mL无水乙醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Cr片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Cr的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0055] 实施例8：制备透镜电镜金属Mo的试样，其制备过程如下：

[0056] 步骤一、将金属Mo线切割为0.3mm厚的Mo片，通过手工磨制将Mo片薄至70μm，将预磨好的Mo片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0057] 步骤二、使用纳秒激光器，激光器的能量为900mJ，频率为5Hz，激光波长采取1064nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Mo片成50度角，激光辐射作用5分钟在Mo片上开出斜孔；

[0058] 步骤三、将4m硫酸与40mL无水乙醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Mo片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Ta的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0059] 实施例9：制备透镜电镜金属W的试样，其制备过程如下：

[0060] 步骤一、将金属W线切割为0.3mm厚的W片，通过手工磨制将W片薄至60μm，将预磨好的W片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0061] 步骤二、使用飞秒激光器，激光器的能量为80μJ，频率为1kHz，激光波长采取800nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材W片成40度角，激光辐射作用1分钟在W片上开出斜孔；

[0062] 步骤三、采用0.5mol/L氢氧化钠水溶液，用针头吸取该碱性溶液，对W片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属W的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0063] 实施例10：制备透镜电镜金属Zn的试样，其制备过程如下：

[0064] 步骤一、将金属Zn线切割为0.3mm厚的Zn片，通过手工磨制将Zn片薄至50μm，将预磨好的Zn片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0065] 步骤二、使用纳秒激光器，激光器的能量为700mJ，频率为5Hz，激光波长采取532nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Zn片成50度角，激光辐射作用2分钟在Zn片上开出斜孔；

[0066] 步骤三、将5m磷酸与40mL无水乙醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Zn片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Zn的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。

[0067] 实施例11：制备透镜电镜金属Zr的试样，其制备过程如下：

[0068] 步骤一、将金属Zr线切割为0.3mm厚的Zr片，通过手工磨制将Zr片薄至80μm，将预磨好的Zr片用穿孔器切成直径为3mm的圆片；

[0069] 步骤二、使用纳秒激光器，激光器的能量为800mJ，频率为10Hz，激光波长采取532nm，通过透镜聚焦，使激光光束与靶材Zr片成50度角，激光辐射作用2分钟在Zr片上开出斜孔；

[0070] 步骤三、将5m高氯酸与280mL无水甲醇进行混合制备得到酸性溶液，用针头吸取该酸性溶液，对Zr片上的激光开孔处进行酸洗，随即用丙酮清洗该处，制备得到透镜电镜用金属Zr的试样；所得试样保存在无水乙醇中，以备透射电镜观察。