مروری بر روشهای آمادهسازی نمونههای TEM – بخش اول
این مقاله شامل سرفصلهای زیر است:
1- مقدمه
2- فلزات و آلیاژها
1-2- تهیه برشها
2-2- تهیه دیسکهای TEM
4-2- مواد چند فاز
3- مواد چندلایه
1-3- ایجاد سطح مقطع از نمونهها
1-1-3- نازککاری با پرتو یونی
2-1-3- ملاحظاتی در پولیش مکانیکی/ فرز یونی نمونههای TEM مقطعی
2-3- پولیش گوِهای
4- نتیجهگیری
1- مقدمه
2- فلزات و آلیاژها
1-2- تهیه برشها
2-2- تهیه دیسکهای TEM
هر چند که هزینه سمبادههای الماسی بالا است با این وجود بهتر است که این سمبادهها بسته به اندازه مختلف ذرات (محدوده 0/5 تا 30 میکرومتر) در دسترس باشند. سایندهها باید با توجه به سختی نمونه انتخاب شوند. بهعنوان مثال، کاغذ ساینده کربید سیلیکون برای آلیاژهای آلومینیوم به کار میرود در حالی که برای یاقوت کبود نامناسب است.
ابتدا کاغذهای سمباده بهمنظور کاهش ضخامت مورد استفاده قرار میگیرد، همچنین برای داشتن سطوح تقریباً موازی، با کاغذ زبر، (برای مثال کاغذی با شماره گرید 320) سمبادهزنی انجام میشود. برای مواد نسبتاً نرم میتوان پولیش را با گرید 600 آغاز کرد. برای مواد سختتر، ابتدا گریدهای زبرتر استفاده شده و بعد از آن، پرداخت نهايي با استفاده از گريدهاي ظريفتر انجام میشود(گريد شماره 600 و 1200).
بهمنظور بهبود کیفیت سطح، یک پارچه جلادهنده و چسب الماسی (اندازه ذرات تا 3 میکرومتر) همراه با چند قطره روغن روی آن پخش میشود. سپس دیسکها روی این پارچه برای اصلاح سطح، حدود 10 دقیقه جلا داده میشوند.
در پولیش اولیه، لایه سطحی که امکان داشت در طول مرحله برش تغییر شکل پیدا کند، برداشته میشود. در این مرحله خراشهایی روی سطح تشکیل میشود که این خراشها در پولیشهای بعدی با گریدهای ظریفتر به حداقل میرسد. اگر کاغذ سمباده در یک جهت ثابت اعمال شود، منجر به ایجاد خراش میشود كه ممکن است نتوان خراش را حذف کرد. از این رو مسیر پولیش باید بهطور مداوم تغییر یابد تا خراشها را به حداقل رساند.
3-2- الکتروپولیش با جت دو قلو
یک دستگاه الکتروپولیش، با جت دو قلو را میتوان برای فرآیند الکتروپولیش استفاده کرد. این دستگاه دارای نگهدارنده نمونه است که میتواند دیسکهای نمونه به قطر 3 ميليمتر را در خود جای دهد. نمونه بهعنوان آند بین دو نازل كه بهعنوان كاتدها عمل ميكنند، قرار میگیرد. هم نمونه و هم نازلها در یک الکترولیت مناسب غوطهور هستند. یک پمپ شناور کوچک در این دستگاه وجود دارد. پمپ جتهای الکترولیت از طریق نازلها در هر دو طرف نمونه قرار میگیرد. میزان نازک شدگی در قسمتهای مرکزی دیسک بیشتر از لبهها است. قسمت نازک شده را باید سوراخ کرد تا با ایجاد سوراخ بتوان روی لبه سوراخ، کار تصویربرداری را انجام داد. به بیان دیگر از آنجایی که نازک کردن نمونه تا حدی که الکترون به راحتی بتواند از آن عبور کند دشوار است، بنابراین نمونه را نازک و سپس سوراخ میکنیم؛ با این کار شانس نازک شدن و عبور الکترون در لبه نمونه در ناحیه سوراخ را افزایش میدهیم. سوراخ ایجاد شده را میتوان با استفاده از یک منبع نوری و یک حسگر نوری که در طرف مقابل نمونه قرار داده شدهاست، مشخص نمود. لبهها در نزدیکی سوراخ، گوهای شکل است و ضخامت مطلوبی برای عبور پرتوالکترونی دارد.
4-2- مواد چند فاز
در موادی که فاز دوم بهصورت ذرات ریز يا رسوبات توزیع شده باشد، مشکلات جدیدی میتواند به وجود آید. بهعنوان مثال، رسوبات امکان دارد در الکتروپولیش از دست برود. برخی از کاربیدها در فولاد و مواد سنتز شده نظیر رشتههای کاربید سیلیکون در ماتریکس فلزی، مثالهایی از این نوع است. در این مورد، ترکیبی از روشها را میتوان به کار گرفت. برای مثال برای ایجاد سوراخ در فویلها میتوان با فرز پرتو یون به مدت چند دقیقه عمل الکتروپولیش را انجام داد. فرز کردن به احتمال زیاد باعث نازک شدن یکنواخت لبههای سوراخ میشود بنابراین خطاهای ناشی از اختلاف ضخامت نمونه بعد از نازک شدن را به حداقل میرساند. این کار را میتوان با بررسی این فویل در TEM تایید کرد.
3- مواد چندلایه
1-3- ایجاد سطح مقطع از نمونهها
1-1-3- نازککاری با پرتو یونی
بهعنوان مثال، یک سطح مقطع نمونه TEM از چاههای کوانتوم چندگانه GaN/InGaN رشد یافته روی بستر (0001) یاقوت سرخ در شکل (3) نشان داده شدهاست. در این شکل مناطق شفاف در برابر الکترون، با پرتو یونی نازک شدهاست (شکل 3-ب). لبههای نزدیک به سوراخ نسبت به الکترون شفاف هستند. شکل (3-ج) تصویر TEM یکی از این لبهها با بزرگنمایی کم و زمینه روشن است که چاههای کوانتوم چندگانه GaN/ In GaN را نشان میدهند.
یک دستگاه دومیل و یک دستگاه جلادهنده یونی دقیق یا پیپس برای نازککاری پرتو یونی استفاده میشود. گاز آرگون با خلوص بالا (بوک یولار درجه 2) برای آسیاب کردن استفاده میشود. گرم نشدن نمونه دیسک در زمان آسیاب کردن به دلیل انتقال مداوم انرژی جنبشی یونها یکی از مواردی است که باید به آن توجه داشت. در نتیجه اگر نمونه حساس به حرارت باشد، ساختارهایی غیرواقعی در تصاویر گرفته شده از نمونه ظاهر میشوند. میتوان از طریق خنک کردن نمونه با استفاده از نیتروژن مایع یا با به کارگیری ویژگیهای مدولاسیون پرتو یونی که در آن نمونه بهطور مداوم در معرض پرتو یونی نخواهد بود، این ساختارهای ناخواسته روی تصویر را به حداقل رساند.
در دستگاه دومیل، دو نوع پایه نمونه در دسترس است که عبارتند از: پایه سرمایی و پایه نرمال. برای مواد حساس به حرارت مانند آلیاژهای آلومینیوم و کلاسهای خاصی از نیمههادیها (برای مثال، InP و فیلمهای InxGa-xN حاوی ایندیم بالا) پایه سرمایی استفاده شدهاست. برای مواد دیگر، پایه نرمال استفاده میشود. در پایه سرمایی، دیسک سوراخ شده بین گیره نگهدارنده که از جنس مس است، قرار داده میشود. سپس از طریق وارد کردن گیرندههای سرد متصل شده به پایه به داخل دوار حاوی نیتروژن مایع، سرد میشود. با شرایط فرزکاری زیر میتوان نمونههایی با کیفیت خوب را برای ساختارهای مبتنی بر دستگاه GaAs ایجاد کرد: (الف) تفنگ زاویه º12± و (ب) ولتاژ 5 کیلوولت در ابتدا و 2/5 کیلوولت در زاویه º10 ± برای پرداخت نهایی. نگهدارنده در طول زمان فرز می چرخد (rpm 3). سطح نمونه از نزدیک هر 3 ساعت یکبار در ابتدا و در مراحل آخر فرزکاری هر 30 دقیقه یکبار زیر میکروسکوپ نوری با بزرگنمایی 50 تا 200 برابر بررسی میشود. لازم است مدت زمان کافی (حدود 1 ساعت) داده شود تا قبل از تخلیه مخزن نمونه، نگهدارنده به دمای اتاق برسد. این عمل، بهمنظور جلوگیری از چگالش رطوبت روی دیسک و نگهدارنده نمونه انجام میشود.
برای پایه نرمال، دیسک بین صفحات فولادی ضد زنگ نگهدارنده قرار داده میشود و همان شرایط فرزکاری را میتوان استفاده کرد.
در یک سیستم جلادهی یونی دقیق، دیسک در یک نگهدارنده (نوع گیرهای یا چسبی) وارد و فرز یونی انجام میشود. شرایطی که در این حالت بهصورت رایج اعمال میشود به صورت زیر است:
الف) زاویه تفنگ: 4 درجه (فرز تکوجهی از طرف زیرلایه) برای نمونههای مسطح و º4 ± (فرز دو طرفه) برای نمونههای سطح مقطعی؛
- ولتاژ: 4/5 کیلوولت در ابتدا و پرداخت نهایی در ولتاژ 2 کیلوولت به مدت 5 دقیقه. لایههای آمورفی (ناشی از فرز یونی) روی سطح نمونه را میتوان با پرداخت بیشتر در کیلوولت کم (حدود 1/0 تا 2/0 کیلوولت) کاهش داد. فرآیند فرز را میتوان با استفاده از یک دستگاه دوربین با صفحه نمایش السیدی در بزرگنمایی حدود 200 برابر کنترل کرد.
الف) با توجه به ماهیت متمرکز پرتو، سرعت فرز نسبتاً بالا است یعنی حدود 10 تا 15 میکرومتر در ساعت برای GaAs در مقایسه با 2 میکرومتر در ساعت در دومیل؛
- با توجه به بهکارگیری زاویه کم فرز (تقریبا 4 درجه) در پیپس، چندلایههایی از مواد غیرمشابه میتوانند با سرعت نازک کاری تقریباً مشابه هم مورد استفاده قرار گیرند؛
- با توجه به نوسان پرتو یونی (و همچنین استفاده از مرحله نیتروژن مایع) حرارت نمونه را میتوان به حداقل رساند؛
- اعمال فرآیند شیمیایی برای کمک به اچکردن با پرتو یونی به تشخیص سرعت مناسب نازککاری برای نمونههایی که تودههای اتمی نسبتاً بزرگی دارند (مانند تنگستن)، کمک شایانی میکند؛
- موقعیت دیسک با توجه به پرتو یونی قابل تنظیم است؛
اما پیپس معایبی هم دارد، مانند:
الف) امکان دارد لبههای دیسک به دلیل فرزکاری با زاویه کم، آسیب ببیند. از این رو گاهی اوقات، دیسک به دلیل از دست دادن مقاومت مکانیکی میشکند؛
- اگر مراحل آخر فرزکاری به دقت کنترل نشود، به احتمال زیاد حفرههایی با لبه ضخیم که نواحی بسیار کمی از آن در برابر الکترون شفاف است بهدست میآید.
2-1-3- ملاحظاتی در پولیش مکانیکی/ فرز یونی نمونههای TEM مقطعی
دیسکهای نمونه با استفاده از چاقوی مدور اولتراسونیک سوراخ میشوند. برای این منظور، برشها با موم به یک لام شیشهای با روکش، متصل میشوند. سپس لام شیشهای با استفاده از موم به میز نمونه چاقوی مدور متصل و قطعه در زیر ابزار برش لولهای قرار داده میشود. مقدار کمی از پودر کاربید سیلیکون با اسپاتول برداشته و روی آن مقداری آب ریخته میشود تا سوسپانسیون مورد نیاز ایجاد شود. سرنگ پر از آب به دستگاه وصل میگردد و آب به آرامی به طرف ابزار برش پمپ میشود. در برابر این فشار آب، دستگاه روشن شده و ابزار برش به طرف نمونه پایین میآید. ابزار برش به علت حرکت بازوی پیزوالکتریک در نمونه، ارتعاشات اولتراسونیکی دارد. در نتیجه ذرات در دوغاب، نمونه را تحت فشار قرار داده و با اثرات دایرهوار آن را میسایند؛ با این کار به آرامی، نمونه به طرف بخش برنده میرود. طراحی این دستگاه طوری است که نمونه از طریق عملکرد فنر مانند نگهدارنده نمونه، به سر ابزار فشرده میشود. روند برشگیری را میتوان با استفاده از دستگاه ضخامتسنج کنترل کرد. در این زمان، حفظ فشار آب کافی از طریق سرنگ اهمیت دارد. در غیر این صورت دوغاب میتواند به ابزار برش وارد شده و امواج اولتراسونیک را متوقف کند. به طور کلی، برای این کار یک فشار ملایم انگشت شست بر سرنگ قابل قبول خواهد بود. همچنین، ابزار برش نیز باید به آرامی به طرف نمونه فشرده شود؛ در غیر این صورت امکان شکستن نمونه وجود دارد. گاهی اوقات، دیسکها در قسمت مته ابزار برش گیر میکنند. آنها را باید به آرامی با ضربات آهسته و یا با فشار وارد کردن بهوسیله آب با سرنگ حذف کرد. دیسکهای بهدست آمده هم دارای شیشه و هم نمونهای که با موم به هم متصل شدهاند، است. میتوان موم را هم پس از تمیز کردن در استون روی هاتپلیت حذف کرد. سپس نمونهها از سمت زیرلایه با استفاده از یک دیسک پولیشر، پولیش میشوند و ضخامت آنها به حدود 100 میکرون کاهش مییابد. سپس از همان سمت ، با فرز پرتو یون آرگون، در 4 درجه سوراخ میشوند. طرح کلی مراحل آمادهسازی نمونههای صفحهای در شکل (4) نشان داده شدهاست.
زیرلایه را نیز میتوان با دقت بسیار به ضخامت حدود 30 تا 35 میکرون پولیش کرد. زیرلایه با استفاده از موم به یک طرف پست (سطح فیلم به پست متصل شدهاست) متصل و فرز یونی از سمت زیرلایه از طریق نگه داشتن هر دو تفنگ یونی با زاویه 4 درجه روی آن انجام میشود. سپس با دقت تمام به گرید مسی که دارای یک سوراخ با قطر حدود 5/1 الی 2 میلیمتر است، متصل میگردد.
2-3- پولیش گوِهای
الف) نمونه را میتوان به ضخامت مناسب برای عبور الکترون، پولیش کرد (برای مثال، شکل (5-ب)). همچنین سطح آسیب دیده با استفاده از فرز یونی آرگون حذف شود (شکل5-ج)؛
ب) زاویه و جهت گوه میتواند توسط کاربر تعریف شود.
این دو مزیت برای برخی آزمایشها به ویژه آزمایشهای هولوگرافی الکترون و مطالعات سیبیایدی هولز میتواند بسیار مفید باشد. با این حال، پولیش کردن نمونه نیاز به مهارت بسیار خوبی در آسیاب مکانیکی دارد.