聚焦離子束在微納尺度材料力學(xué)性能研究中的應(yīng)用

田 琳，付琴琴，單智偉

(西安交通大學(xué)材料學(xué)院微納尺度材料行為研究中心，陜西西安710049)

1 前言

微納尺度材料是指外觀幾何尺寸或其基本單元的尺寸在10 nm到10 μm之間的材料[1]。微納米尺度材料結(jié)構(gòu)和性能的研究是一個(gè)新興的但卻在蓬勃發(fā)展的研究方向，其背后的巨大推動(dòng)力來(lái)自社會(huì)發(fā)展對(duì)功能器械小型化的強(qiáng)勁需求。伴隨著材料制備、表征及測(cè)試技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，人們對(duì)微納尺度材料結(jié)構(gòu)與性能的認(rèn)識(shí)也開(kāi)始取得一些突破性的進(jìn)展[2－9]。這些發(fā)現(xiàn)，一方面向人們展示了微納尺度材料巨大的潛在應(yīng)用前景[8];另一方面也給人們提出了一系列的挑戰(zhàn)。首先，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微納尺度材料的性能并不能通過(guò)外推傳統(tǒng)的基于塊體材料的理論知識(shí)而得到[10]，這就要求人們要把微納尺度材料的研究逐漸地從目前定性的、隨機(jī)的個(gè)案推向定量的、系統(tǒng)化的發(fā)展方向，并最終建立起微納尺度材料結(jié)構(gòu)與性能的理論知識(shí)體系。其次，不同于塊體材料，表面、界面和晶界原子在微納尺度材料中所占的比重大幅增加[2]，相應(yīng)的對(duì)材料力學(xué)性能影響的程度也隨尺度的減小而增加[11－15]。第三，納米尺度功能材料必須一兼多職，既要有優(yōu)異的功能也要有可靠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，系統(tǒng)地研究微納尺度材料的力學(xué)性能及其與其它要素(如熱、電、氣氛等)之間的耦合效應(yīng)就成為微納尺度功能材料從科學(xué)概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品的前提和先決條件。但是，由于微納尺度材料極小的物理尺寸，傳統(tǒng)的制備、測(cè)試和表征方法對(duì)這些材料不再有效。因此，發(fā)展和發(fā)明新的制備、表征、操控技術(shù)就成為人們研究微納尺度材料力學(xué)性能所必須的先決條件。

率先將聚焦離子束(Focused Ion Beam，F(xiàn)IB)技術(shù)應(yīng)用于微納尺度材料力學(xué)性能測(cè)試并取得巨大成功的是美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的 Michael D.Uchic等人[6]。他們對(duì) FIB在微納材料力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:首先，首次利用FIB的刻蝕功能在宏觀塊體單晶樣品上加工出了一系列直徑在40～0.5 μm的微小柱體，從而使得研究者系統(tǒng)可控地研究各種材料的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)成為可能;其次，創(chuàng)新性地利用FIB將納米壓入儀的金剛石壓頭由尖角改為平板狀，從而發(fā)展了基于納米壓入儀器的微壓縮測(cè)試方法。此后，隨著納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)IB在微納尺度材料力學(xué)性能研究中的應(yīng)用也得到不斷地拓展，涵蓋了不同幾何形狀的樣品和測(cè)試夾頭的制備，微納尺度樣品的操控和焊接等。本文首先以樣品的幾何形狀為主線，回顧了FIB在微納顆粒、柱體、“狗骨狀”拉伸樣、納米線以及懸臂梁等測(cè)試中的應(yīng)用;然后討論了FIB對(duì)材料力學(xué)性能的可能影響以及預(yù)防辦法;最后總結(jié)和展望了FIB在微納尺度材料力學(xué)性能測(cè)試中的現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

2 FIB在不同幾何形狀樣品力學(xué)測(cè)試中的應(yīng)用

2.1 微納尺度顆粒的壓縮試驗(yàn)

微納尺度顆粒通常是人工合成的。由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性能，微納尺度顆粒在醫(yī)藥、化妝品、磨料、潤(rùn)滑、催化等領(lǐng)域展示了廣泛而誘人的應(yīng)用前景[13]。但是，對(duì)微納尺度納米顆粒的力學(xué)性能測(cè)試歷來(lái)就是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的課題。其根本原因在于微納尺度顆粒的尺寸很小，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡甚至無(wú)法對(duì)它們進(jìn)行清晰的觀測(cè)，因此，人們不得不求助于空間分辨率更高的電子顯微鏡。同時(shí)，傳統(tǒng)的力學(xué)測(cè)試方法也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)尺寸如此小的單個(gè)顆粒進(jìn)行定量的力學(xué)測(cè)試。近年來(lái)，隨著力學(xué)傳感器的不斷小型化，市場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)一些基于掃描電鏡或透射電鏡的納米力學(xué)測(cè)試裝置[16]。這些商業(yè)化的力學(xué)測(cè)試儀具有足夠高的力和位移分辨率，從而使得原位測(cè)試單個(gè)微納顆粒的力學(xué)性能成為可能。但是，早期的基于納米壓入儀的原位電鏡力學(xué)測(cè)試技術(shù)均采用尖壓頭，例如Berkovich壓頭[17－18]。其主要缺點(diǎn)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:首先是實(shí)驗(yàn)的成功率很低。盡管有電子束的原位觀測(cè)，但只有在很少數(shù)情況下壓頭頂部才能正好壓在微納顆粒的頂部而使得實(shí)驗(yàn)如期完成，大部分情況下微納顆粒將由于側(cè)向力的作用發(fā)生移位或滾動(dòng)從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。其次，電子束觀測(cè)通常只能給出成像對(duì)象的二維投影，使得精確估算壓頭幾何變得非常困難，從而導(dǎo)致研究者很難將所得到的力和位移轉(zhuǎn)換成應(yīng)力和應(yīng)變。而應(yīng)力和應(yīng)變是不同尺寸不同材料間進(jìn)行有效對(duì)比的前提。

為了改變這一現(xiàn)狀，單等[13]率先用FIB將原位透射電鏡力學(xué)測(cè)試儀的金剛石尖壓頭(圖1a)加工成直徑約為1 μm的平壓頭(圖1b)，并將其成功地用于測(cè)試微納尺度的CdS空心球。透射電鏡分析表明:這些直徑在200～450 nm的空心球的球壁由平均尺寸在6～8 nm的CdS晶粒組成。圖1c是顆粒壓縮試驗(yàn)的示意圖，圖1d～f顯示了在透射電鏡下對(duì)一個(gè)直徑約為200 nm的顆粒的壓縮過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)把納米晶進(jìn)行一定的空間組合后，就可能使得材料同時(shí)具有超高強(qiáng)度和超大的變形能力[13]。

2010年，單及其同事[19]又將同樣的技術(shù)應(yīng)用于測(cè)試電子束對(duì)非晶二氧化硅力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在200 kV電壓的照射下，二氧化硅非晶小球的塑性流變應(yīng)力較沒(méi)有電子束照射的情況下降低了4倍多。該實(shí)驗(yàn)的重要意義在于它是世界上首次在透射電鏡內(nèi)定量測(cè)定了電子束對(duì)材料力學(xué)性能的影響，這里定量專指高精度的力和位移測(cè)量。

為了防止微納尺度的顆粒樣品在壓縮過(guò)程中發(fā)生移位或滾動(dòng)，從而影響其力學(xué)性能的測(cè)試，單及其同事[12]發(fā)明了一種通過(guò)高溫退火液態(tài)潤(rùn)濕在特制的硅基地上制備金顆粒的新方法。FIB被用于制備變形前后試樣的剖面透射電鏡樣品(圖2)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管樣品發(fā)生了大塑性變形，但發(fā)生幾何突變后的樣品卻可以幾乎不含位錯(cuò)?；诒绢I(lǐng)域目前已有的成果，作者們提出了一種基于缺陷的新的區(qū)分微納尺度材料的方法。該方法的應(yīng)用期望能夠澄清目前對(duì)該領(lǐng)域認(rèn)知上的混淆，使得研究者和設(shè)計(jì)人員能夠更好地預(yù)測(cè)微納尺度材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。

圖1 (a)利用Berkovich尖壓頭對(duì)一個(gè)Al晶粒進(jìn)行壓入實(shí)驗(yàn)[18]，(b)利用FIB加工出的平壓頭，(c)顆粒壓縮試驗(yàn)的裝置圖，(d～f)在透射電鏡中進(jìn)行顆粒壓縮試驗(yàn)[13]Fig.1 (a)indentation into an Al grain using aBerkovich tip[18]，(b)flat punch fabricated by FIB，(c)schematic of a compression test of nanoparticles，and(d ～ f)compressing a particle inside TEM[13]

圖2 (a)FIB制備變形后金顆粒的剖面透射電鏡樣品，(b)在TEM中可以觀察到金顆粒內(nèi)部位錯(cuò)密度很低[12]Fig.2 (a)TEM sample of deformed Au particle fabricated by FIB and(b)few dislocations can be observed in the sample in TEM image[12]

2.2 微納尺度柱體的壓縮試驗(yàn)

2004年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的研究人員合作在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了關(guān)于材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的論文[6]，該文系統(tǒng)研究了Ni和Ni3Al單晶柱體樣品的強(qiáng)度隨其直徑的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖3a所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)單晶材料的屈服強(qiáng)度隨樣品外觀尺寸的減小而升高。該結(jié)果和20世紀(jì)50年代人們關(guān)于晶須的研究結(jié)果一致[20]，即材料的強(qiáng)度表現(xiàn)出“越小越強(qiáng)”的規(guī)律。這一研究的重要意義在于它使得力學(xué)性能尺度效應(yīng)重新成為國(guó)際上的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。之后許多課題組利用這種方法研究了各種材料的尺度效應(yīng)，包括面心立方晶體[21－22]、體心立方晶體[23－24]、密排六方晶體[25]及金屬非晶[26－28]等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分的材料在所研究的尺寸范圍內(nèi)表現(xiàn)出“越小越強(qiáng)”的規(guī)律。但是，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)某些材料在臨界尺寸以下表現(xiàn)出完全不同的規(guī)律。例如，當(dāng)把鈦合金單晶的尺寸降到1 μm以下時(shí)，其能承受的強(qiáng)度達(dá)到飽和的狀態(tài)，同時(shí)其變形機(jī)制由孿晶主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)主導(dǎo)[4]。

用FIB加工微納尺度的柱體樣品大致可以分為兩類。第一類如圖3b所示。該類樣品和宏觀壓縮實(shí)驗(yàn)中所用的樣品具有同樣的均勻截面，唯一不同的是其根部和母體相連，該類圓柱是通過(guò)FIB車削而成的[29]。其優(yōu)點(diǎn)是樣品截面均勻，在測(cè)試中不易形成應(yīng)變梯度。缺點(diǎn)是加工工藝復(fù)雜，通常加工一個(gè)樣品需要較長(zhǎng)的時(shí)間。第二類樣品采用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的FIB加工方法，但樣品通常會(huì)有一定的錐度 (1°～4°)，如圖3c所示。具體的加工方法如下:離子束沿圓柱軸向自上而下作環(huán)狀切削，分為毛坯加工、粗加工和精加工幾個(gè)階段，離子束的束流依次降低。由于這種圓柱加工方法簡(jiǎn)單、快捷，所以得到了廣泛的應(yīng)用。造成錐度的原因是FIB對(duì)圓柱上某一點(diǎn)的加工效率隨著該點(diǎn)距離圓柱頂面距離增加而減小[30]，且聚焦離子束本身有一定的匯聚角，因此圓柱根部的截面積大于其頂端的截面積。對(duì)于這種有錐度的圓柱進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，樣品幾何上的錐度會(huì)轉(zhuǎn)化成應(yīng)力梯度，可能會(huì)引起試樣的局部變形，并進(jìn)而影響應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算。為了避免或降低錐度對(duì)材料力學(xué)性能的影響，可以選擇第一類樣品的加工方法[6]或采用矩形截面的樣品[4]。

早期的基于FIB所加工的樣品的力學(xué)測(cè)試都是非原位的測(cè)試。相應(yīng)的也帶來(lái)了一系列的科學(xué)問(wèn)題:如FIB對(duì)所加工的單晶樣品是否有影響?如果有，如何影響?影響到何種程度?為了回答這些疑問(wèn)，單等[11]首次在透射電鏡里對(duì)FIB所加工的微納單晶鎳柱體進(jìn)行了定量測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)用FIB制備的亞微米單晶鎳圓柱體中包含有高密度位錯(cuò)(圖3c)。但是，在外界應(yīng)力的作用下，這些亞微米晶體中的位錯(cuò)密度會(huì)劇烈下降，甚至形成一個(gè)無(wú)位錯(cuò)的完美晶體(圖3d)。作者們將這一現(xiàn)象命名為“力致退火”，特指通過(guò)加力的方式可以使得微納尺度的單晶體中位錯(cuò)的密度降低或完全消除的現(xiàn)象。該發(fā)現(xiàn)的重要意義在于它用令人信服的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了由斯坦福大學(xué)Williams Nix研究團(tuán)隊(duì)所提出的，但當(dāng)時(shí)卻備受爭(zhēng)議的位錯(cuò)匱乏理論。隨后的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，“力致退火”現(xiàn)象不僅適用于面心立方金屬[12，31]，而且適用于體心立方金屬[32－33]。

圖3 (a)微柱壓縮試驗(yàn)的裝置圖，(b)FIB切削而成的無(wú)錐度圓柱[29]，(c)FIB制備的亞微米單晶鎳圓柱，(d)經(jīng)過(guò)壓縮之后的單晶鎳圓柱Fig.3 (a)schematic of a compression test of pillars，(b)taper free pillar[29]，(c)single crystal Ni pillar fabricated by FIB，and(d)the Ni pillar after compression

2.3 微拉伸試驗(yàn)

微柱壓縮作為材料力學(xué)性能試驗(yàn)的基本方法之一，簡(jiǎn)便易行運(yùn)用廣泛，但同時(shí)也有一定的局限性。首先，壓縮試驗(yàn)主要適用于脆性材料，如鑄鐵、軸承合金和建筑材料等。其次，由于試樣與壓頭之間存在摩擦力，約束了試樣的橫向變形，容易出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象。特別是當(dāng)柱形試樣存在一定的錐度時(shí)，應(yīng)力梯度的存在很容易引起接觸面附近的局部變形[34]，從而增加了后續(xù)的力學(xué)分析的難度。再次，壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很難保證壓頭和樣品表面的絕對(duì)平行，由此而產(chǎn)生的應(yīng)力集中常使得所測(cè)的材料屈服強(qiáng)度偏低。相比之下，單軸拉伸測(cè)試更加簡(jiǎn)單直觀，能夠得到均勻的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，數(shù)據(jù)容易解釋，通用性強(qiáng)，可用于精確測(cè)量材料彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等參數(shù)，因此日益受到科研人員的重視。但是，相對(duì)于宏觀的拉伸實(shí)驗(yàn)，微納尺度的拉伸實(shí)驗(yàn)要困難的多，其挑戰(zhàn)主要來(lái)自于以下3個(gè)方面:一是如何加工出合適的拉伸試樣;二是如何將力有效地施加在樣品上;三是如何保證拉伸測(cè)試中試樣的單軸應(yīng)力狀態(tài)。針對(duì)以上難題，科學(xué)家們進(jìn)行了各種嘗試并發(fā)明了一系列對(duì)微納尺度樣品進(jìn)行拉伸測(cè)試的方法。其中與FIB密切相關(guān)的主要有3種:一是“基體蝕刻法”，二是“套勾法”，三是“焊接法”?！盎w刻蝕法”是用FIB在宏觀薄片樣品上刻蝕出微納尺度拉伸試樣，其兩端均連接在基體上。通過(guò)對(duì)薄片整體進(jìn)行拉伸來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微拉伸試樣的拉伸測(cè)試。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是樣品在拉伸過(guò)程中由于基體與其平行部分材料的約束而不易發(fā)生劇烈失穩(wěn)。該方法已被成功地應(yīng)用于測(cè)量非晶金屬的彈塑性變形能力[35－36]。但是由于用該方法制備的樣品受到嚴(yán)重約束，而且不易獲得定量的力學(xué)數(shù)據(jù)，“基體蝕刻法”的應(yīng)用受到了一定的限制。

圖4a是“套勾法”的工作原理示意圖。這一方法是奧地利一個(gè)研究組在2008年最早在掃描電鏡中開(kāi)始使用的[37]。他們首先利用FIB將金剛石壓頭加工成如圖4a中淺色部分所示的形狀。然后再利用FIB將所測(cè)試的樣品加工成如4a中深色部分所示的“狗骨”型。由于測(cè)試樣品的尺寸比例和宏觀的標(biāo)準(zhǔn)試樣一致，用此方法獲得的材料力學(xué)性能不僅易于分析和建模，而且可以與宏觀樣品進(jìn)行直接比對(duì)，因此也更具參考價(jià)值?！疤坠捶ā钡囊粋€(gè)典型應(yīng)用案例是關(guān)于非晶彈塑性極限的研究[3]。

如圖5所示，田等[15]首先利用FIB將樣品加工成“狗骨”狀，其主要步驟如下:選用30 kV，93 pA參數(shù)進(jìn)行粗加工，在金屬玻璃樣品的邊緣薄區(qū)加工出尺寸約為2.5 μm ×5.0 μm ×0.4 μm 的薄片;再通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，使得離子束方向與薄片垂直并在其上刻蝕出設(shè)計(jì)的拉伸試樣幾何形狀(見(jiàn)圖5a，b)。之后選用15 kV，43 pA對(duì)試樣進(jìn)行精加工至所需尺寸(見(jiàn)圖5b)。最后用小束流精修結(jié)合樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)以盡量降低表面損傷層的厚度和樣品的錐度。

圖4 (a)微拉伸試驗(yàn)的裝置圖，(b)在透射電鏡中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)Fig.4 (a)schematic of micron tensile tests and(b)pulling a sample inside TEM

圖5 (a～c)利用FIB技術(shù)制備拉伸試樣的過(guò)程，(d)一個(gè)典型的拉伸曲線Fig.5 (a～c)procedures of tensile samples using FIB and(d)a typical tensile curve

在傳統(tǒng)宏觀拉伸試樣上，可以通過(guò)刻線來(lái)標(biāo)記材料的變形量，或者利用引伸儀(應(yīng)變片)來(lái)對(duì)材料形變進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。但是對(duì)于微納尺度樣品而言，兩者皆不適用。首先，在微納尺度的樣品上刻蝕標(biāo)記一方面會(huì)損傷材料，另一方面在刻蝕的地方可能造成足以顯著影響后續(xù)測(cè)試的應(yīng)力集中。其次，目前沒(méi)有適用于測(cè)試微納尺度樣品的應(yīng)變片存在。相對(duì)于所有以前在該領(lǐng)域的工作，田等在樣品制備方法上的最大貢獻(xiàn)是創(chuàng)造性地利用電子束輔助碳沉積在樣品上制造兩個(gè)標(biāo)記，如圖5c所示，從而成功解決了微小試樣拉伸測(cè)試中難以精確測(cè)量應(yīng)變的難題。實(shí)驗(yàn)證明，這種添加標(biāo)記的方法對(duì)樣品幾乎無(wú)損傷，而且方便快捷，可控性強(qiáng)。值得一提的是，碳沉積原本是掃描電鏡(SEM)和FIB腔體里一種常見(jiàn)的污染，幾乎無(wú)處不在的含碳分子在電子束的輻照下分解，并在樣品表面沉積從而顯著影響成像，是一種令人煩惱的污染。田等從原理出發(fā)，巧妙地將碳污染轉(zhuǎn)化為碳標(biāo)記，是變廢為寶的一個(gè)典型案例。

利用上述樣品制備方法，田等人選取幾何尺寸在200～300 nm之間的金屬非晶試樣為研究對(duì)象，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)所研究金屬非晶材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的高精度測(cè)量(圖5d)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)金屬的實(shí)測(cè)彈性極限是大塊非晶態(tài)金屬?gòu)椥詰?yīng)變的兩倍多，和理論預(yù)測(cè)的理想彈性極限相一致[3]。

“基體蝕刻法”和“套勾法”對(duì)母體為塊材的材料比較適用。但是對(duì)于低維納米材料，如納米線等就必須尋找新的方法。其難點(diǎn)是如何固定樣品的兩端從而能夠可控地施加應(yīng)變，F(xiàn)IB輔助的“焊接法”由此應(yīng)運(yùn)而生，并在測(cè)量一維納米材料的力學(xué)性能中得到了廣泛的應(yīng)用[38－42]。圖6就是一個(gè)典型的應(yīng)用案例。圖6a是一種名為“Push to Pull”的納米線拉伸裝置。帶有半圓形的可動(dòng)部分通過(guò)4根矩形彈簧和基體相連。研究人員首先利用機(jī)械手將單根納米線提取出來(lái)(圖6b)，轉(zhuǎn)移并搭接在間隙的兩端。在這個(gè)過(guò)程中要使納米線與間隙盡量垂直，以保證拉伸的單軸性;然后用離子束輔助沉積Pt將其固定(圖6c)。當(dāng)在半圓的頂端施加壓力是，可動(dòng)部分整體右移，從而在樣品上產(chǎn)生一拉應(yīng)力。圖6d為納米線在加載條件下的透射電鏡照片。

作為連結(jié)納米線和基底的材料，在測(cè)試納米線的過(guò)程中Pt將承受一定的力，因此需要Pt具有良好的力學(xué)性能。通過(guò)改變沉積條件，包括電壓、電流、重疊率、駐留時(shí)間等參數(shù)，可以獲得形貌不同、性能各異的Pt薄膜。例如在保持離子束電流為48 pA左右，改變加速電壓，獲得的Pt形貌不同，電壓越大沉積的Pt表面越平整，見(jiàn)圖7。實(shí)驗(yàn)證明，離子束電壓30 kV，電流40 pA時(shí)的沉積條件下可以獲得平整度高、致密度好的Pt薄膜[43]。利用納米壓痕方法對(duì)該條件沉積的Pt膜進(jìn)行測(cè)試，得到沉積Pt膜的硬度和模量分別為9 Gpa及110 Gpa[43]。然而，正如上文中所提到的，在沉積Pt的過(guò)程中，用電子束或離子束觀察非沉積區(qū)域(如6c所示的間隙部位)會(huì)對(duì)樣品造成污染，可能影響后續(xù)的觀察和表征，甚至改變納米線的性能。

圖7 改變離子束變電壓對(duì)沉積Pt薄膜形貌的影響Fig.7 Effect of ion beam voltage on the morphology of Pt deposition

2.4 彎曲試驗(yàn)

除了壓縮試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，還可以將材料加工成適合于彎曲試驗(yàn)的幾何形狀，例如懸臂梁，見(jiàn)圖8。利用彎曲試驗(yàn)裝置可以測(cè)量微納尺度材料的彎曲性能，研究缺口和預(yù)裂紋對(duì)于材料力學(xué)行為的影響[44－46]等。圖8b是金屬非晶帶缺口懸臂梁的掃描電鏡照片。通過(guò)施加循環(huán)應(yīng)變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺口根部的非晶在循環(huán)應(yīng)力作用下顯示出明顯的疲勞損傷特征。更多的循環(huán)周次導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生與寬展，同時(shí)伴隨著納米晶的形成。

3 聚焦離子束加工對(duì)材料的影響

圖8 (a)彎曲試驗(yàn)的裝置圖，(b)一個(gè)根部有缺口的彎曲試樣Fig.8 (a)schematic of a bending test and(b)a notch bending test sample

由于FIB技術(shù)是利用高能離子束與材料的相互作用加工材料，得到的樣品就不可避免的存在一定的損傷和缺陷。當(dāng)帶有一定能量的離子，例如30 KeV的Ga離子，入射到樣品表面時(shí)，離子與樣品交換能量。這些能量會(huì)導(dǎo)致樣品(靶材料)表面原子的濺射，這是進(jìn)行材料去除加工的主要過(guò)程。在靶材料原子濺射的同時(shí)還伴隨著入射離子的散射、電子和電磁波的激發(fā)以及樣品溫度的上升[47－48]等現(xiàn)象。由于這些現(xiàn)象主要在樣品表面發(fā)生，因此FIB導(dǎo)致的損傷主要集中在距表面一定的深度范圍內(nèi)。但對(duì)于某些材料，離子束與材料的相互作用影響區(qū)較大，損傷層會(huì)更厚。對(duì)于半導(dǎo)體材料，其原子結(jié)合鍵是具有方向性的共價(jià)鍵，被高能離子輻照破壞后很難恢復(fù)，因此，在這類材料中FIB損傷將主要導(dǎo)致材料表面的非晶化。實(shí)驗(yàn)表明降低離子束的能量有利于減少非晶化的損傷層[49]。金屬材料經(jīng)過(guò)離子束輻照后的損傷主要是微觀結(jié)構(gòu)的改變，例如缺陷密度[50]、晶粒尺寸[51]的改變。部分入射的離子完全失去了動(dòng)能，最終殘留在樣品中，造成離子注入。在一些含有易與Ga離子結(jié)合的元素的材料中甚至?xí)a(chǎn)生新的相[52－53]。

此外，F(xiàn)IB損傷對(duì)材料力學(xué)性能的影響，在納米力學(xué)測(cè)試中不容忽略。有報(bào)道稱，對(duì)非晶材料進(jìn)行局部輻照，會(huì)顯著改變其力學(xué)性能，所得結(jié)果并不能代表該材料的本征性能。例如由FIB輻照可能造成非晶中自由體積的增加，導(dǎo)致材料硬度降低[54]，塑性提高[55]。而晶體中FIB加工引起的位錯(cuò)密度增加可能導(dǎo)致材料硬化[50]。為了減少FIB損傷，根據(jù)不同的材料，可以采取降低離子束的入射能量，或者利用質(zhì)量較小的離子進(jìn)行加工;在切削的過(guò)程中避免離子束垂直入射，減少反沉積。

FIB對(duì)低熔點(diǎn)材料，例如金屬錫進(jìn)行精細(xì)加工十分困難，主要表現(xiàn)在難以獲得特征尺寸在100 nm以下的結(jié)構(gòu)。圖9對(duì)比了在硅和錫兩種材料表面刻蝕的結(jié)果。用相同電壓、電流的離子束進(jìn)行線刻蝕，在錫上得到的線寬約為硅上的兩倍多，證明離子束對(duì)錫的濺射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅。而在加工直徑小于200 nm的圓柱時(shí)，產(chǎn)生的熱量不易導(dǎo)出[56]，造成圓柱內(nèi)熱量累計(jì)，溫度升高，樣品表面原子擴(kuò)散劇烈，甚至?xí)l(fā)生局部融化現(xiàn)象，破壞了圓柱原有的形狀。因此在加工錫這樣的低熔點(diǎn)金屬的圓柱時(shí)，應(yīng)當(dāng)降低電壓電流以降低材料的濺射率，同時(shí)通過(guò)少量多次加工的方法減小樣品溫度的升高，在必要的時(shí)候也可以采取降溫的方法提高加工質(zhì)量。

圖9 利用同樣的加工條件在Si和Sn上加工結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of the fabrication result on Si and Sn using the same ion beam condition

4 結(jié)語(yǔ)

利用FIB加工微納尺度力學(xué)測(cè)試試樣具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)可以在特定樣品的特定位置加工出所需的形狀和尺寸;

(2)對(duì)幾微米至幾十納米尺寸的樣品加工精度較高，速度較快;

(3)適用材料的范圍較廣，可用于加工硬材料如金屬、陶瓷，以及軟材料包括高分子、生物材料[57]。

隨著工業(yè)和科研領(lǐng)域?qū)ξ⒓{加工的需求日益增加，F(xiàn)IB技術(shù)也在不斷發(fā)展。除了液態(tài)金屬之外，惰性氣體Ar，He等也可以作為FIB系統(tǒng)的離子源。與常用的Ga離子相比，由于惰性氣體離子的動(dòng)能較低，具有加工精度高，對(duì)材料損傷低的特點(diǎn)。將掃描電鏡、Ga離子源和Ar離子源結(jié)合形成的FIB-SEM-Ar多束系統(tǒng)[58]，以其高效率、高精度的優(yōu)勢(shì)，期望在微納尺度樣品的制備和力學(xué)測(cè)試中得到很好的應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)微納尺度材料結(jié)構(gòu)與性能的研究。

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