固体材料分析方法课件

1、扫描电子显微镜测量靶丸表面形貌 把聚变材料（氘和氚）做成一个小丸，然后用强激光从各个方向照射，使其迅速加热到非常高的温度并气化，由于时间极短，小球来不及炸开，所以小球中央的压力和温度就可以迅速升高到使材料发生聚变反应。这种聚变材料小球就叫做“靶丸”. 在加速期间, 如果表面缺陷增长得足够大,就会导致不对称内爆甚至使壳破裂。鉴于这个原因,对靶丸表面形貌的监测就显得尤其重要。 靶丸缺陷尺寸通常小于几微米, 应用干涉显微镜对它进行观察是非常困难或不可能的。扫描电子显微镜(SEM)提供了观察靶丸缺陷的最佳方法。精确测量靶丸4表面缺陷三维数据,为惯性约束聚变(ICF) 实验理论分析提供依据。 1.扫描电

2、子显微镜观测靶丸4P表面形貌 扫描电子显微镜具有高放大倍数及景深长的特点, 用它观测靶丸表面缺陷能够在高放大倍数下清晰地观察靶丸局部表面形貌, 其分辨达到10 nm ,这是光学显微镜无法达到的。通过在高真空电镜样品室内的靶丸4定位搓动装置,可实现对靶丸4表面的全貌观察。1.1具有4搓动装置的电镜样品台 具有靶丸4搓动机构的样品台是用中国科学院北京科学仪器研制中心生产的KYKY-1000 B电镜样品室改建的。由于受到电镜样品室空间的限制, 电镜光路系统要求4搓动机构必须十分精细(图1)。在样品台控制面板上安装了一对螺旋测微控制旋钮, 通过机械传动, 高精度地调整样品台内控制微球定位旋转的触头在水

3、平及垂直方向的移动。水平定位时, 控制旋钮每进10 nm, 触头移动量为5 nm; 垂直定位时, 控制旋钮每进10 nm, 触头移动量为7 nm。控制旋钮定位精度为2 nm。搓动微球时, 触头作等步长相对运动。经实验测试, 直径为200 400nm 的靶丸旋转一周时, 靶丸球心移动量小于2 nm。靶丸搓动装置定位在SEM 样品台上, 调节样品台三维位置可使SEM 处于正常聚焦工作状态, 还可修正靶丸经4搓动后造成的位移,使其能在高放大倍数下观察靶丸精细表面形貌。 图1具有4搓动装置电镜样品台1.3靶丸测量 靶丸处于二触头之间的SEM 照片示于图3。通过触头水平、垂直方位的搓动实现靶丸4方位定位

4、转动。采用一组不同直径玻璃微球, 在电镜下搓动靶丸旋转一周,计算电镜样品控制旋钮每进10nm后靶丸的旋转量。测量结果列于表1。靶丸的旋转量小于触头的移动量,表明触头搓动靶丸时具有滑动, 滑动量的大小不仅与触头夹持微球的松紧程度有关,而且与触头间的平行度有关。靶丸旋转45和90后的表面微观形貌示于图4。图3处于搓动触头间的靶丸SEM 图像(535)图4靶丸旋转45(a) 和90(b) 后的SEM 图像(1 400)透射电子显微分析单晶硅片磨削损伤单晶硅片是集成电路（IC）制造过程中最常用的衬底材料，从Si单晶锭到单晶Si片需要一系列的机械和化学加工过程，如切、磨、抛等. 然而，磨削加工会不可避免

5、地给Si片带来表面层损伤，该损伤会影响后续抛光工序的抛光时间和犛犻片的加工效率，因此需要减小磨削损伤因此，需要通过对Si片磨削损伤进行检测、分析与评价来进一步研究其损伤机理，从而为最终实现Si片的高效率、高精度、无损伤、超光滑表面的加工提供指导 其中，透射电子显微分析（TEM）可以分辨出非晶层、多晶层、微裂纹、位错和层错等缺陷的微观结构信息,该信息对研究Si片的损伤机理具有极为重要的意义因此，本文采用TEM分析法研究了Si片自旋转磨削时粗磨、半精磨和精磨Si片表面层的损伤特性，该研究结果不仅有助于研究Si片磨削损伤机理，同时也为Si片的磨削工艺参数选择及其延性域磨削提供了具体的参考数据 （）将

6、小块的其中一个剖面用热溶胶粘到样品台上，对另一剖面进行研磨、抛光至m左右； （）对另一剖面进行研磨、抛光至试样厚度约为m，如图（b）所示； （）将试样粘接到d=3mm的金属补强环上，然后用PIPS型精密离子减薄仪进行减薄至获得透光薄区 制备平视TEM试样时，先将Si片沿方向解理成大小约为mmmm的正方形小片，将观测面粘结到样品台上，然后对试样背面进行研磨、抛光至m左右将抛光好的试样粘接在金属补强环上，然后从观测面的背面进行离子减薄直至电子透明 试样分析采用的是Tecnai G 20 S-Twin型TEM.其加速电压为kV，点分辨率为0.24nm，线分辨率为0.14nm，放大倍数为万倍对Si片试

7、样进行了TEM图像、高分辨TEM图像和选区电子衍射分析另外，采用角度抛光法、分步蚀刻法对粗磨、半精磨和精磨Si片的损伤深度进行了检测图粗Si犻片表面层的选区电子衍射花样 （a）剖视试样的衍射花样； （b）平视试样的衍射花样 2半精磨Si片的TEM分析 图是半精磨Si片的剖视TEM图像，Si片近表面处的SADP中的非晶晕环（见图（b）表明Si片的表面有 一层非晶硅（a-S相），称为非晶层Si片表面层损伤形式有微裂纹、非晶层、高密度位错和面缺陷，其中位错有两个滑移方向，最大位错滑移深度约为.m非晶层厚度约为nm，且非晶层厚度分布不均匀磨痕下方的损伤相对比较严重，位错密度较大，非晶层厚度较大，如图（

8、c）所示图是半精磨Si片近表面处的SADP，经过标定可知图（a）和（b）分别为Si-I相沿晶带轴和Si-III相沿晶带轴入射的衍射花样这表明磨削表面发生了相变，产生了体心立方结构的Si-III相采用角度抛光法测得半精磨Si片的损伤深度为m图半精磨Si片的剖视TEM图像（a）微裂纹；（b）非晶层，两个位错滑移方向；（c）磨痕下方位错密度增大图半精磨Si片近表面处的Si-I相沿晶带轴 （a）和Si-III相沿晶带轴 （b）的衍射花样2精磨Si片的TEM分析 图是精磨（砂轮）Si片的剖视TEM图像，从中可以看到Si片表面有约nm厚的非晶层，与半精磨Si片表面的非晶层相比，精磨Si片表面的非晶层厚度较

9、小且分布相对比较均匀非晶层下有较浅的位错层，最大位错滑移深度约为nm，存在两个位错滑移方向从图（b）中可知非晶层下有多晶硅存在，图（c）是图（b）中I处非晶Si和晶体Si交界处的高分辨TEM（HRTEM）图像，从中可以清楚地看到无衬度的非晶区域和晶体部分的晶格条纹像，非晶SI和晶体SI的分界线很粗糙，部分晶体颗粒存在于非晶介质中图（c）中所标注的（I）处是a-Si相，（II），（III）和（IV）处Si-I相，Si-I相的（）面间距是0.3125nm，而（III）处由于应力作用使得晶体Si-I相的（）面间距由0.192nm减小至0.1896nm 多晶层局部区域的电子衍射花样如图所示，经过标定可

10、知，多晶层中除了Si-I相之外，还存在Si-III相，图中强点是Si-I相的衍射点，弱点是Si-III相的衍射点，且它们有一定的取向关系. 图是精磨（砂轮）Si片的剖视TEM图像，表明Si片表面有一层厚度约为nm且分布较均匀的非晶层，晶体与非晶体的交界线不太光滑，亚表面也有位错和层错存在，存在一个位错滑移方向，最大位错滑移深度为nm左右采用分步蚀刻法测得精磨（砂轮）Si片和精磨（ 砂轮）Si片的损伤深度分别为1.4和0.8m.图精磨（砂轮）犛犻片的剖视TEM图像（a）非晶层、位错；（b）非晶层、多晶硅；（c）（b）中I处的HRTEM图像图精磨（砂轮）Si片表面层的SADP图精磨（砂轮）Si片的

11、剖视TEM图像2分析讨论 磨削条件不同，磨粒的尺寸和形状不同，使得磨削压力和磨削深度也有所不同，从而导致Si片磨削表面层损伤的微观结构不同，粗磨Si片的损伤层中有大量微裂纹和高密度位错，其表面不存在金属延性特征的塑性变形区域，Si片表面也没有明显的非晶和多晶相变，材料以脆性断裂方式去除 半精磨和精磨Si片的损伤层中除了微裂纹和位错外，还存在非晶硅（-Si相）和多晶硅（Si-I相和Si-III相）Domnich等人指出，无论Si-I相变产生何种结构（Si-XII相、Si-III相或-Si相），均必须经过Si-I相向Si-II的转变Si-II相在卸载后可转变Si-III相、Si-XII相和-Si相

12、由此可知，SI片磨削过程中磨削力使得Si-I相发生了高压金属相变（Si-II相），Si-II相是具有金属延性特征的高压相，容易被硬磨粒去除而不损伤下面的Si晶体，这有利于改善单晶Si的切削加工性能，使得部分材料实现了塑性去除，半精磨时材料以脆性方式去除为主，精磨时材料以塑性方式去除为主总之，从粗磨到精磨，随着磨粒尺寸的减小，材料的去除方式由脆性断裂方式逐渐向塑性方式过渡从粗磨到精磨，Si片损伤层的最大位错滑移深度逐渐减小，Si片损伤深度从m逐渐减小至0.8m； 从粗磨向半精磨过渡时，Si片的非晶层厚度从约增大到约nm；从半精磨向精磨过渡时，Si片的非晶层厚度由约nm减小至约nm，且非晶层厚度分

13、布变得均匀由于TEM检测分析单晶Si的相变比较困难，难以对SI片磨削表面的非晶和多晶相变进行全面的分析，因此本文作者采用显微喇曼光谱仪对Si片磨削表面相变进行了专门研究X射线衍射技术的应用 物相分析点阵常数的精确测定应力的测定晶粒尺寸和点阵畸变的测定物象分析xrd 与标准pdf卡片1栏：卡片序号。 2栏： 1a、1b、1c是最强、次强、再次强三强线的面间距。 2a、2b、2c、2d分别列出上述各线条以最强线强度(I1)为100时的相对强度I/I1。3栏： 1d是试样的最大面间距和相对强度I/I1 。4栏：物质的化学式及英文名称 5栏：摄照时的实验条件。 6栏：物质的晶体学数据。 7栏：光学性质

14、数据。 8栏：试样来源、制备方式、摄照温度等数据 9栏：面间距、相对强度及密勒指数。 点阵常数的精确测定 点阵常数是晶体物质的基本结构参数.点阵常数测定中的精确度涉及两个独立的问题，即波长的精度和布拉格角的测量精度。 衍射工作者的任务是要在波长分布与衍射线分布之间建立一一对应的关系。知道每根反射线的密勒指数后就可以根据不同的晶系用相应的公式计算点阵常数。晶面间距测量的精度随 角的增加而增加， 越大得到的点阵常数值越精确，因而点阵常数测定时应选用高角度衍射线。，点阵常数测定的精确度极限处在110-5附近。根据布拉格方程2dsin=，则有Co 粉的Co 辐射X射线衍射高角度谱线Co 粉的Fe 辐射

15、X射线衍射高角度谱线晶粒尺寸和点阵畸变的测定 若多晶材料的晶粒无畸变、足够大，理论上其粉末衍射花样的谱线应特别锋利，但在实际实验中，这种谱线无法看到。这是因为仪器因素和物理因素等的综合影响，使纯衍射谱线增宽了。纯谱线的形状和宽度由试样的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶体点阵中的主要缺陷决定，故对线形作适当分析，原则上可以得到上述影响因素的性质和尺度等方面的信息。 从衍射花样适当的谱线中得出晶粒尺寸和缺陷的信息。这个步骤主要是找出各种使谱线变宽的因素，并且分离这些因素对宽度的影响，从而计算出所需要的结果。主要方法有傅里叶法、线形方差法和积分宽度法。应力的测定金属材料及其制品在冷、热加工（如切削、装配

16、、冷拉、冷轧、喷丸、铸造、锻造、热处理、电镀等）过程中，常常产生残余应力。残余应力对制品的疲劳强度、抗应力腐蚀疲劳、尺寸稳定性和使用寿命有着直接的影响。残余应力是材料及其制品内部存在的一种内应力，是指产生应力的各种因素不存在时，由于不均匀的塑性变形和不均匀的相变的影响，在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力。X射线残余应力测定方法也、是一种间接方法，它是根据衍射线条的角变化或衍射条形状或强度的变化来测定材料表层微小区域的应力。X射线衍射仪X射线应力仪先进无机材料的热分析热分析技术发展至今已有一百多年的历史，被广泛地应用到各种材料的研究和开发工作中。这种技术能在温度程序控制下对材料的各种物理和化

17、学变化，如质量、热量、尺寸、弹性模量等变化进行测定。在各类热分析方法中，热重法(TG)、差热法(DTA)、差示扫描量热法(DSC)可以快速、方便检测材料在受热过程的质量变化或热焓变化.随着各种有机无机复杂体系的新型材料出现，除了需要检测这些材料在受热过程中的质量变化和热焓变化，还需要同时检测这些材料在受热过程中逸出的气体产物。因此，单一的热分析技术已不能满足材料的表征要求，需要多种表征手段同时检测才能深入研究材料的受热行为，为这些材料的制备和性能表征提供科学依据。以先进无机材料为研究对象，利用热分析技术(DTA、DSC、TG-DSC)对B2O3-ZnO-V2O5玻璃体系、铌酸锂晶体、NiMnG

18、a合金和TiCr1.2(V-Fe)0.6储氢合金四种材料进行表征研究。利用DTA、DSC和TG-DSC技术对四种材料进行研究，结果表明热分析技术在先进无机材料的制备和性能表征研究中有广泛和重要的应用。例如，利用DTA技术，确定了B2O3-ZnO-V2O5玻璃体系的转变温度、析晶温度以及熔融温度。利用XRD确定其析晶峰对应的晶相。利用DSC技术快速准确地测定铌酸锂晶体的居里温度。还测定了NiMnGa合金在升降温过程中发生马氏体相变的吸放热效应，这种合金表现出特有的形状记忆效应。利用TG-DSC技术确定了TiCr1.2(V-Fe)0.6储氢合金的放氢温度及放出的氢气量。在热分析方法基础上出现一种新方法脉冲热分析(PulseTA)，这种新颖的脉冲热分析方法是建立在注射一种已知量气体到载气里并检测质量变化、热焓变化和由气固反应产生的气体组分。论文开展了材料在热分析质谱联用过程中CO2、N2等逸出气体的脉冲定量方法研究，为TA-MS-PulseTA联用技术在材料领域的应用研究打下基础。研究了多种实验参数对MS信号定量校正的影响，例如载气