截面抛光

由于煤、石油、天然气等资源不可再生的特点使得开发可持续性能源成为当务之急。1991年日本索尼公司推出的锂离子电池让世界看到绿色能源电池新契机，其高比能量和高比功能密度已被广泛应用在电动汽车、国防工业、便携式电子设备等领域中。石墨因比容量高、结构稳定、成本低等特点已广泛用作商业负极材料，因此正极材料成为制约锂离子电池发展的重要因素。在众多的正极材料中，三元正极材料镍钴锰Li（Ni1-x-yCoxMny）O2由于其导电性能优良、成本低廉、环境友好等特点成为具有商业应用价值的电池材料。而正极材料能继承前驱体的形貌和结构特点，所以前驱体的结构、制备工艺对正极材料的性能有着至关重要的影响。因此对三元前驱体材料Ni1-x-yCoxMny(OH)2形貌及结构的研究显得尤为重要。为了更好的观察三元前驱体材料Ni1-x-yCoxMny(OH)2的内部结构，我们使用美国GATAN Ilion II 697精密刻蚀仪（图1）对材料进行刻蚀。Ilion II 配备两支无损、能量范围大的（100V-8KV）聚焦离子枪，样品制备时，高低电压的结合可极大提高抛光的速度和质量。同时聚焦离子枪的设计，可以保证低电压下，快速获得高质量的样品表面。 图1 GATAN Ilion II 697精密刻蚀镀膜仪 我们利用Ilion II 697精密刻蚀镀膜仪并配备蔡司Sigma 500场发射电子显微镜实现对三元前驱体材料的制备及观察。697所制备的粉末样品数量足够多，且表面平整度好，不仅可以看到其内部的孔隙大小、结构情况，还可以看到晶粒的大小和分布情况等。如图2(a)可看出材料整体制备平整、完好无损伤，2(b)可清晰观察到材料内部纳米级别孔隙；图2(c)(d)为另一种结构的前驱体材料，孔隙较小且可观察到晶粒。正所谓“工欲善其事，必先利其器”，选择合适的实验仪器和实验方法能让您的科研达到事半功倍的效果。图2 三元前驱体材料刨面结构

离子研磨抛光仪是一台高质量的 sem 样品制备台式精密仪器，满足几乎所有应用材料的制备。离子研磨抛光仪是通过物理科学技术来加强样品表面特性。使用的是惰性气体中具有代表性的氩气，通过加速电压使其电离并撞击样品表面。在控制的范围内，通过这种动量转换的方式，氩离子去撞击样品表面从而达到无应力损伤的 sem 观察样品。1060 ion milling 台式离子研磨抛光仪先进的样品制备技术如今 sem 在快速研究和分析高端材料结构和性能方面被认为是一种非常理想的手段方式，fischione 1060 是一个优秀的样品制备工具，是一台具有目前最先进技术的离子研磨抛光系统，设计精巧，操作方便，性能稳定。1060 离子研磨抛光仪为 sem 呈现样品表面结构和分析样品特性提供了便利，是 sem 样品制备完美的工具，正不断用于制备高质量的 sem 样品，满足苛刻的成像及分析要求。专利的双离子束源fischione 1060 两束专利电磁聚焦离子束源可直接控制作用在样品表面的离子束斑点直径，操作者可以根据需求自己调节。两束离子束可以同时聚焦在样品表面，这样可以大大提高研磨抛光速度。1060 离子束源采用独特的专利电磁聚焦设计，这样的设计可以让离子束斑点直径可调，从而离子撞击的时候是直接撞击样品，且只可以撞击样品，同时样品溅出的材料不会沉积在样品夹具、样品仓或者样品表面上。离子研磨抛光仪有哪些应用sem 样品制备时常常需要研磨抛光。制样时即使再留意，常常一些不理想的形貌也会出现。随着 sem 技术的快速发展，即使一个微不足道的损伤也会限制样品表面的彻底观察分析。通过惰性气体离子研磨抛光解决样品表面之前的损伤是一个非常理想的方法。这是离子研磨的基本功能。块状样品事实上一些无机样品也受益于离子研磨抛光技术。当离子束低入射角度直接作用在样品上时，样品表面剩余的机械应力损伤，氧化层及残留物层均会被溅出，最终显现原始的形貌供 sem 观察和分析。ebsdebsd 是一项非常有用的技术，可以让 sem 获取更多晶体信息，因为通过 sem 获得的背散射电子信息能很好的反应材料晶体结构、晶向和晶体纹理。ebsd 对表面信息非常敏感，任何轻微的表面缺陷均能通过 ebsd 获得比较好的图案信息。因此通过离子研磨抛光来增强表面信息是非常有利的。为了让 ebsd 提高到更好的检测水平，离子研磨抛光能被用来去除精细样品材料的表面材料。使用二维的方法无法得到这一系列的技术产量切片技术。半导体截面观察在半导体行业的很多案例中，离子研磨抛光可以让失效分析快速的得到有用的信息。通常切割或者机械研磨样品会产生样品表面损伤，这些问题可以通过离子研磨抛光来解决，这也得力于多样化的样品夹具来优化了这些操作过程。使用飞纳台式电镜观察 1060 离子研磨抛光仪制样效果1060 离子研磨抛光仪标准版和专业版1060 离子研磨抛光仪技术参数离子束源两束电磁聚焦离子源加速电压范围： 100 ev - 6.0 kev，连续可调离子束流密度高达 10 ma/cm2可选择单束或者双束离子源工作独立控制两束离子束源加速电压 （仅专业版）样品台离子束入射角 0? 到 +10?最大样品尺寸：直径 25mm，高度 15mm样品高度自动感应360? 样品旋转样品往复摇摆，从 ±40? 到 ±60?真空系统两级真空系统：无油干泵和涡轮分子泵皮拉尼型真空计感应控制真空工作气体99.999% 纯度的氩气每离子束流速约 0.2 sccm，名义上所需压力为 15psi 采用自动气体流量控制技术，实现离子源气流的精密流量控制，含两个流量计气压源气动阀驱动氩气,液氮, 或者干燥空气；所需压力要求名义上 60 psi样品照明用户可选的反射照明自动终止计时器设定自动加工终止用户界面标准版内置触摸屏，包含基本设备功能模块专业版?内置触摸屏，包含基本设备功能模块?基于电脑，加工流程可通过参数编程并实时显示操作状态?操作灯光指示器（选配）辅助光学显微镜可选配一个 7-45 倍的体视显微放在与真空系统内用于直接观察样品；或者选配一个具有 2,000 倍的显微成像系统，用于定点成像并显示在电脑显示屏上尺寸标准版69cm*38cm*74cm*51cm （宽*底端到设备外壳高*底端到显微镜高*深）专业版107cm*38cm*74cm*51cm （宽-含电脑显示器*底端到设备外壳高*底端到显微镜高*深）重量73 kg电源100/120/220/240 vac，50/60 hz，720 w

金属的电解抛光，是一种传统而常用的表面处理技术，通过可控的电化学反应使金属表面溶解（凸起部分溶解速度快）来降低表面粗糙度。利用电解抛光技术，可以获得纳米级粗糙度的镜面光泽表面，而且可以去除前序机械加工遗留的表面和亚表面损伤层。不过，不为一般仅使用该技术的研究者注意的是，在一定的电化学条件下，电解抛光后的金属表面会出现纳米级的图案（pattern），其中对金属铝的研究较多。研究者发现，金属铝（Al）经短时间电解抛光处理后，表面会出现周期或特征周期为几十至一百多纳米的有序条纹状（stripe）、六边顶角状（hexagon）及点状（dot）等多种有序或无序图案。这一现象，已经引起了研究者对其在金属表面微纳工程、微纳模板加工、微纳电子学等领域应用的关注。研究者已经开始深入挖掘纳米图案形成的机理，关键是揭示材料表面结构和界面电化学行为决定纳米图案类型及周期的物理化学规律。但是，目前已经发表的研究，缺少对多晶和单晶铝表面纳米图案形成行为的系统实验研究，定性的多定量的少，零散的多系统的少，难以用来检验和改进现有的表面纳米图案形成理论。其中一个被长期忽略的关键问题，就是铝表面结构差异导致的纳米图案的各向异性。哈尔滨工业大学化工与化学学院的甘阳教授和他指导的博士生袁原（论文第一作者）、张丹博士、杨春晖教授及机电学院的张飞虎教授，首次采用电子束背散射衍射（EBSD）对电解抛光后的多晶铝和单晶铝进行了定量的表面晶体学取向分析，并采用蔡司的Sapphire Supra 55场发射扫描电镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）对纳米图案的类型（type）和周期（size）进行了系统表征和量化分析，揭示了铝电解抛光表面纳米图案的类型和周期对于表面结构和晶体学取向的依赖性的规律。同时，基于表面物理化学的理论框架，对结果进行了深入分析和讨论，定性解释了大部分的实验结果，并指明了下一步的研究方向。研究结果近期以长文形式发表于电化学领域的国际知名期刊Journal of the Electrochemical Society，国际同行评审专家认为该工作是对本领域的重要贡献。甘阳教授课题组首先对多种铝样品的电解抛光表面纳米图案进行了系统的研究：1）多晶铝（polycrystalline Al）中不同取向的晶粒；2）切割角可控的系列单晶铝（monocrystalline Al）样品。通过EBSD测试获得晶粒表面的晶体学取向图，并结合定位SEM表征，他们发现，铝电解抛光表面纳米图案对晶面取向具有依赖性（如图1所示为多晶样品中三个毗邻的晶粒）。（背景知识：描述铝表面晶体学取向的EBSD反极图三角（IPF triangle）中，可划分为围绕三个低指数晶面方向（primary direction，主取向）的晶体学主取向区域—[101] //ND，[001] //ND和[111]//ND，单个晶粒或单晶的表面取向偏离主取向的角度称为取向差角（misorientation angle）。）通过对数十个不同取向的多晶晶粒的逐一定位SEM表征，他们发现了一系列未被报道过的现象（图2）：1）纳米图案类型和周期对晶面取向的依赖性是否显著取决于所属的主取向区域；2）在同一主取向区域内，纳米图案类型和周期随着取向差角的改变呈现渐变性规律；3）对于具有相同取向差角但偏向不同主取向的晶面，纳米图案类型和周期也发生变化；4）在两个或三个主取向的交界处，纳米图案类型和周期基本相同。他们进一步测试和分析了一系列取向差角可控的单晶铝样品（图3），证实了上述多晶样品的结果，并揭示出目前尚难以解释的单晶和多晶样品间的图案周期性大小的差异问题（图4）。图1 （a）电解抛光多晶Al样品的EBSD分析IPF图，（b）放大后的IPF图和IPF三角显示三个相邻的A、B、C晶粒及其所属的主取向区域和各自的晶面取向差角值，（c）三个晶粒的定位SEM形貌图像，相邻晶粒被晶界隔开并交于一点，（d–f）三个晶粒的AFM形貌图像和细节放大图及FFT分析图，（g–i）为对应AFM图中白线段的线轮廓分析图。图2 （a）电解抛光后不同晶面取向的多晶铝晶粒在IPF三角中的位置图，（b–y）不同晶粒表面的SEM形貌图和对应的FFT分析图（SEM图上均给出了取向差角和图案的周期）。图3 （a）不同晶面取向的单晶铝样品在IPF三角中的位置图，（b–s）电解抛光后不同单晶样品表面的SEM形貌图和对应的FFT分析图（SEM图上均给出了取向差角和图案的周期）。图4（a，b）单晶和多晶样品的表面纳米图案周期（L）随取向差角（θ）变化的L–θ图，上方刻图轴给出了三个主取向区域内与θ对应的所属表面的表面台阶宽度（w）。（c，d）单晶和多晶样品的各晶面在IPF三角中的对应位置图。L–θ图和IPF三角中的几条连线，表示的是连接了近似位于延某个主取向辐射出去的直线上的若干晶面（及IPF三角中的若干对应的点）。为了解释实验结果，他们建立了一系列不同取向晶面的表面原子排列的“平台–台阶”模型（图5），还特别关注了更复杂的“平台–台阶–扭折”表面结构（图6）。尽管尚没有考虑表面驰豫、重构等的影响，他们根据表面结构特征随取向差角的变化规律，解释了实验观察到的纳米图案类型和取向差角的关系。比如，在一个主取向区域内，随着取向差角的增大，表面台阶宽度逐渐减小而不是突变，界面能的变化也应该呈现渐变的特性，这就解释了纳米图案的类型随取向差角改变的渐变现象。此外，在两个或三个主取向区域的交界处，大取向差的晶面的表面结构（平台宽度和台阶处的原子排列）很相似，所以导致纳米图案的类型基本相同。而不考虑上述结构特征，就很难解释实验上观察到的现象。图5（a–f）[001]和[101]//ND主取向区域内6个不同取向差角的晶面的表面“平台–台阶”结构模型的正视图和侧视图。表面单胞用红色平行四边形或矩形表示。（g）6个晶面在IPF三角中的位置图。图6 （a–c）[001]//ND主取向区域内3个取向差角相等但偏向不同方向的晶面的表面“平台–台阶–扭折”结构模型的正视图。表面单胞用红色平行四边形表示，特别给出了平均台阶宽度。（d）3个晶面在IPF三角中的位置图。图7 在电解抛光过程中吸附分子在不同平台宽度“平台–台阶”表面的扩散和脱附行为差异的示意图。（a）宽平台表面；（b）窄平台表面。他们基于表面结构影响电化学溶解和界面分子吸附、扩散行为的理论框架，对文献中现有的“吸附–溶解”理论进行了深化，进一步提出了表面平台宽度和台阶位点的数量会影响电解抛光液中的表面吸附分子（如乙醇）在表面的扩散（以扩散系数表征）和吸脱附（脱附速率常数）行为。取向差角越大，平台宽度越窄（台阶密度也越大），分子在表面的扩散障碍越大，但同时脱附也更困难，这二者的竞争导致图案的周期先增加并逐渐达到峰值后减小。以外，他们还提出了一套结合SEM测量和图像的FFT处理的分析步骤，以此为基准来准确确定准无序纳米图案的平均周期大小，有效避免了单点测量的较大偏差。以上研究工作，对铝及其它金属（如Ti，Ta，Zn，W）及合金的电解抛光表面纳米图案化研究具有普通意义。甘阳教授课题组正在继续深入研究更多实验因素的影响、图案演化的计算机模拟及理论模型的建立，力图全面揭示金属电解抛光表面纳米图案的形成机理。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等的资助。恭喜哈尔滨工业大学化工与化学学院甘阳老师课题组使用蔡司场发射扫描电镜做科学研究，取得丰硕的科研成果！