原子探針

Vincent Fu

說(shuō)到精度，就不得不提在材料學(xué)中最重要的一個(gè)方面：表征。

要想研究一種材料性能，握在手里把玩是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，就算你拿出放大鏡離近了看，也只能看到表面的一些坑坑洼洼，而為了知曉一種材料的顯微結(jié)構(gòu)，科學(xué)家至少要下到微米級(jí)（放大千倍），如果要獲得更深入的信息，甚至要下到納米級(jí)（放大萬(wàn)倍）。如今，材料表征已經(jīng)可以進(jìn)行到原子級(jí)別的研究，那就是原子探針（atom probe）技術(shù)，可以算是材料表征領(lǐng)域王冠上最閃亮的那顆鉆石。而隨著表征尺度的下降，試樣制備的難度卻是指數(shù)級(jí)地上升。這對(duì)試樣制備技術(shù)以及設(shè)備的精度提出極高的要求。

就拿廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械組件的馬氏體鋼來(lái)舉例，要研究馬氏體長(zhǎng)什么樣子，最基本的當(dāng)然是放到光學(xué)顯微鏡下看看啦。光鏡（OM）長(zhǎng)相非常樸實(shí)，我想大部分人在高中階段就有接觸：

但是試樣制備卻要經(jīng)歷一些坎坷，首先得用砂紙把試樣表面打磨平整，消除劃痕，然后再用拋光布把打磨后的試樣拋得像鏡面一樣，最后還要用酸液腐蝕表面才能將顯微結(jié)構(gòu)凸顯出來(lái)。但對(duì)我們學(xué)材料的來(lái)講，金相制備是最基本的啊，幾個(gè)小時(shí)的工作量而已，本科生就能解決。OM 下馬氏體長(zhǎng)這個(gè)樣子：

原來(lái)馬氏體鋼里面是這樣的板條結(jié)構(gòu)！畢業(yè)論文終于有著落啦~但科學(xué)家并不滿足于此，他們想看得更仔細(xì)，于是試樣被放在了掃描電子顯微鏡里面（SEM），相比于 OM，SEM 就長(zhǎng)得高大上許多了：

于是馬氏體在 SEM 下長(zhǎng)這個(gè)樣子：

哇，已經(jīng)能看到馬氏體板條內(nèi)部的一些定向排列的條紋了，于是拿著照片屁顛屁顛地找導(dǎo)師問(wèn)問(wèn)能不能水一篇國(guó)內(nèi)期刊的論文啊……

但這個(gè)尺度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足好奇的科學(xué)家們，因?yàn)楦静荒苷f(shuō)明問(wèn)題啊親。于是他們搬來(lái)了一臺(tái)透射電子顯微鏡（TEM），準(zhǔn)備一探究竟：

但是 TEM 金屬試樣的制備是非常復(fù)雜的，首先要把試樣切成幾毫米厚的薄片，磨薄后再?zèng)_壓成直徑 3mm 的小圓片，然后用橡皮按住試樣在砂紙上磨啊磨，邊磨還要邊測(cè)量厚度，直到厚度達(dá)到幾百納米時(shí)才能進(jìn)行離子減薄。一個(gè)試樣制備下來(lái)，可是至少一上午??！本科生肯定是不愿干啊，所以基本上要讀到碩士才能來(lái)做。TEM 下終于把馬氏體看清楚了：

原來(lái)每個(gè)板條馬氏體內(nèi)部是這樣的，有位錯(cuò)，有孿晶，有中脈，有碳化物析出。真棒，發(fā)一篇 Scripta 應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題吧，離碩士畢業(yè)又近了一步！但是，科學(xué)家們不會(huì)停步于此，不看到原子他們是不會(huì)罷休的。終于說(shuō)道主角原子探針層析技術(shù)（APT）了。做原子探針，可不是拿個(gè)材料扔進(jìn)去就會(huì)出結(jié)果的，如果 TEM 試樣的制備讓一個(gè)碩士都感到頭疼的話，那 APT 試樣的制備就可以算是一個(gè)博士生的夢(mèng)魘。APT 的試樣是利用聚集離子束（FIB）技術(shù)制備的，而最終的 APT 試樣是一個(gè)直徑只有 50nm 的針尖，由于尺寸太小，肉眼根本無(wú)法看到，所以整個(gè)制備過(guò)程是在 SEM 中完成的。

如下圖所示，首先，用離子束在試樣表面切下一個(gè)薄片（a），然后在薄片中間切下一個(gè)細(xì)條（b），再把這個(gè)細(xì)條黏在事先準(zhǔn)備好的微尖上（c），這樣，第一步就完成了。

然后，要用離子束把這個(gè)細(xì)條打磨成一根針，如下圖所示。

根據(jù)需要還可以設(shè)計(jì)不同的針頭的形狀哦：

當(dāng)這一切都完成以后，這個(gè)試樣制備的過(guò)程才算完成，吃過(guò)早餐來(lái)實(shí)驗(yàn)室制樣，晚餐前能進(jìn)行到最后一步就算是高手中的高手啦~制備好了樣品，才能放到原子探針下測(cè)量。原子探針的工作原理可以用下圖來(lái)描述：

給昨天制備好的針尖試樣施加一個(gè)高電位，在電場(chǎng)力的作用下，金屬之間的鍵接被打斷，離子在電場(chǎng)力的加速作用下飛向探測(cè)器，而這個(gè)過(guò)程就好像試樣被蒸發(fā)了一樣。所以，像這種 destructive 的實(shí)驗(yàn)一個(gè)試樣只能做一次，如果收集的數(shù)據(jù)不滿意，要回到昨天在 SEM 下用 FIB 切樣那一步重新來(lái)過(guò)哦~當(dāng)然，科學(xué)家們也不傻，他們一般會(huì)事先準(zhǔn)備若干個(gè)樣再來(lái)做原子探針，從中選擇出最好的數(shù)據(jù)。像原子探針這種高精度的實(shí)驗(yàn)，要得到一組滿意的數(shù)據(jù)，機(jī)器一般要跑個(gè)一天一宿。當(dāng)然，更耗時(shí)費(fèi)力的后期的數(shù)據(jù)分析，一組數(shù)據(jù)的 size 就直奔十幾個(gè) G，至于分析，大家可以自行腦補(bǔ)。APT 的實(shí)驗(yàn)儀器如下圖所示：

最后貼一張馬氏體的 APT-3D 重建圖（數(shù)字的單位為 nm）：

至此，我們終于可以看到馬氏體內(nèi)部每一個(gè)原子的排布方式，看到普通尺度下根本無(wú)法觀測(cè)的 clusters、partition、segregation 等等。終于可以拿著結(jié)果去找導(dǎo)師發(fā) Acta 啦！

反觀材料科學(xué)領(lǐng)域里的研究者們，我們從本科，讀到碩士，再到博士，正如這表征尺度的一步步前進(jìn)，我們對(duì)材料的理解才能一步步加深，而實(shí)驗(yàn)難度也隨之增加；要克服這些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，需要我們具有超乎常人的好奇心和對(duì)科學(xué)探索的激情，從中獲取不斷前進(jìn)的動(dòng)力，來(lái)對(duì)抗時(shí)時(shí)刻刻襲來(lái)的挫敗感。

我們都經(jīng)歷過(guò)想到一個(gè) idea 到了實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)完全做不出來(lái)；

也經(jīng)歷過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷失敗挫敗之下反復(fù)問(wèn)自己當(dāng)初為什么要來(lái)讀這個(gè)學(xué)位；

也經(jīng)歷過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)收集完畢卻發(fā)現(xiàn)幾年前已經(jīng)有人用一模一樣的方法發(fā)了一篇 paper；

更經(jīng)歷過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如 shit 一樣完全不知道該怎么闡述。

然而，那些高級(jí)期刊上讓我們嘖嘖稱奇的實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后，哪一個(gè)不是經(jīng)歷了同樣的辛酸和汗水？真正讀到了博士，了解、體會(huì)了這一切，才真正知道了科研的不易和科研工作者的偉大。

但是，你一定要問(wèn)我當(dāng)初選擇這個(gè)專業(yè)你后悔不后悔？

是后悔的……

2016-03-22