原子探针的制作过程

原子探针_知乎周刊・201

    原子探针

    

    Vincent Fu

    

    说到精度，就不得不提在材料学中最重要的一个方面：表征。

    

    要想研究一种材料性能，握在手里把玩是远远不够的，就算你拿出放大镜离近了看，也只能看到表面的一些坑坑洼洼，而为了知晓一种材料的显微结构，科学家至少要下到微米级（放大千倍），如果要获得更深入的信息，甚至要下到纳米级（放大万倍）。如今，材料表征已经可以进行到原子级别的研究，那就是原子探针（atom probe）技术，可以算是材料表征领域王冠上最闪亮的那颗钻石。而随着表征尺度的下降，试样制备的难度却是指数级地上升。这对试样制备技术以及设备的精度提出极高的要求。

    

    就拿广泛应用于各种机械组件的马氏体钢来举例，要研究马氏体长什么样子，最基本的当然是放到光学显微镜下看看啦。光镜（OM）长相非常朴实，我想大部分人在高中阶段就有接触：

    

    

    

    但是试样制备却要经历一些坎坷，首先得用砂纸把试样表面打磨平整，消除划痕，然后再用抛光布把打磨后的试样抛得像镜面一样，最后还要用酸液腐蚀表面才能将显微结构凸显出来。但对我们学材料的来讲，金相制备是最基本的啊，几个小时的工作量而已，本科生就能解决。OM 下马氏体长这个样子：

    

    

    

    原来马氏体钢里面是这样的板条结构！毕业论文终于有着落啦~但科学家并不满足于此，他们想看得更仔细，于是试样被放在了扫描电子显微镜里面（SEM），相比于 OM，SEM 就长得高大上许多了：

    

    

    

    于是马氏体在 SEM 下长这个样子：

    

    

    

    哇，已经能看到马氏体板条内部的一些定向排列的条纹了，于是拿着照片屁颠屁颠地找导师问问能不能水一篇国内期刊的论文啊……

    

    但这个尺度还远远不能满足好奇的科学家们，因为根本不能说明问题啊亲。于是他们搬来了一台透射电子显微镜（TEM），准备一探究竟：

    

    

    

    但是 TEM 金属试样的制备是非常复杂的，首先要把试样切成几毫米厚的薄片，磨薄后再冲压成直径 3mm 的小圆片，然后用橡皮按住试样在砂纸上磨啊磨，边磨还要边测量厚度，直到厚度达到几百纳米时才能进行离子减薄。一个试样制备下来，可是至少一上午啊！本科生肯定是不愿干啊，所以基本上要读到硕士才能来做。TEM 下终于把马氏体看清楚了：

    

    

    

    原来每个板条马氏体内部是这样的，有位错，有孪晶，有中脉，有碳化物析出。真棒，发一篇 Scripta 应该没问题吧，离硕士毕业又近了一步！但是，科学家们不会停步于此，不看到原子他们是不会罢休的。终于说道主角原子探针层析技术（APT）了。做原子探针，可不是拿个材料扔进去就会出结果的，如果 TEM 试样的制备让一个硕士都感到头疼的话，那 APT 试样的制备就可以算是一个博士生的梦魇。APT 的试样是利用聚集离子束（FIB）技术制备的，而最终的 APT 试样是一个直径只有 50nm 的针尖，由于尺寸太小，肉眼根本无法看到，所以整个制备过程是在 SEM 中完成的。

    

    如下图所示，首先，用离子束在试样表面切下一个薄片（a），然后在薄片中间切下一个细条（b），再把这个细条黏在事先准备好的微尖上（c），这样，第一步就完成了。

    

    

    

    然后，要用离子束把这个细条打磨成一根针，如下图所示。

    

    

    

    根据需要还可以设计不同的针头的形状哦：

    

    

    

    当这一切都完成以后，这个试样制备的过程才算完成，吃过早餐来实验室制样，晚餐前能进行到最后一步就算是高手中的高手啦~制备好了样品，才能放到原子探针下测量。原子探针的工作原理可以用下图来描述：

    

    

    

    给昨天制备好的针尖试样施加一个高电位，在电场力的作用下，金属之间的键接被打断，离子在电场力的加速作用下飞向探测器，而这个过程就好像试样被蒸发了一样。所以，像这种 destructive 的实验一个试样只能做一次，如果收集的数据不满意，要回到昨天在 SEM 下用 FIB 切样那一步重新来过哦~当然，科学家们也不傻，他们一般会事先准备若干个样再来做原子探针，从中选择出最好的数据。像原子探针这种高精度的实验，要得到一组满意的数据，机器一般要跑个一天一宿。当然，更耗时费力的后期的数据分析，一组数据的 size 就直奔十几个 G，至于分析，大家可以自行脑补。APT 的实验仪器如下图所示：

    

    

    

    最后贴一张马氏体的 APT-3D 重建图（数字的单位为 nm）：

    

    

    

    至此，我们终于可以看到马氏体内部每一个原子的排布方式，看到普通尺度下根本无法观测的 clusters、partition、segregation 等等。终于可以拿着结果去找导师发 Acta 啦！

    

    反观材料科学领域里的研究者们，我们从本科，读到硕士，再到博士，正如这表征尺度的一步步前进，我们对材料的理解才能一步步加深，而实验难度也随之增加；要克服这些严峻的挑战，需要我们具有超乎常人的好奇心和对科学探索的激情，从中获取不断前进的动力，来对抗时时刻刻袭来的挫败感。

    

    我们都经历过想到一个 idea 到了实验室发现完全做不出来；

    

    也经历过实验不断失败挫败之下反复问自己当初为什么要来读这个学位；

    

    也经历过实验数据已经收集完毕却发现几年前已经有人用一模一样的方法发了一篇 paper；

    

    更经历过实验结果如 shit 一样完全不知道该怎么阐述。

    

    然而，那些高级期刊上让我们啧啧称奇的实验结果背后，哪一个不是经历了同样的辛酸和汗水？真正读到了博士，了解、体会了这一切，才真正知道了科研的不易和科研工作者的伟大。

    

    但是，你一定要问我当初选择这个专业你后悔不后悔？

    

    是后悔的……

    

    2016-03-22