離子研磨儀是一種用于處理材料樣品的設(shè)備，常用于掃描電鏡制樣過(guò)程中。它通過(guò)使用離子束來(lái)去除樣品表面的材料，從而制備平整的表面。這種設(shè)備在掃描電鏡和其他材料分析儀器的樣品制備過(guò)程中，用于獲得高質(zhì)量的樣品表面以進(jìn)行分析和觀察。
那么，掃描電鏡在什么情況下需要搭配離子研磨儀？
如果你沒(méi)有從掃描電鏡圖片中獲得你想要的信息，在掃描電鏡功能一切正常的前提下，極有可能是樣品制備不夠成功導(dǎo)致的。
以下兩個(gè)案例將直觀地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：
01 錫球焊接分析
未使用離子研磨儀制樣（飛納臺(tái)式電鏡拍攝）
使用離子研磨儀制樣（飛納臺(tái)式電鏡拍攝）
說(shuō)明：如果不使用離子研磨儀，就無(wú)法用掃描電鏡觀察到錫球焊接處的缺陷
02 陶瓷
未使用離子研磨儀制樣（飛納臺(tái)式電鏡拍攝）
使用離子研磨儀制樣（飛納臺(tái)式電鏡拍攝）
說(shuō)明：如果不使用離子研磨儀，就無(wú)法用掃描電鏡觀察到陶瓷晶粒和富集相的正確位置
因此，使用離子研磨儀后，將有助于得到材料表面更豐富更準(zhǔn)確的形貌信息。對(duì)于一般的內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察，使用傳統(tǒng)的機(jī)械研磨即可以達(dá)到需要的分析效果，但是對(duì)于某些精度要求較高或是機(jī)械研磨外部應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生影響的情況下，使用高精度、無(wú)應(yīng)力的、無(wú)接觸式的研磨——離子研磨就很有必要。電子行業(yè)通常要求精度較高的結(jié)構(gòu)分析，例如細(xì)微失效缺陷分析；或是對(duì)處理應(yīng)力有較高要求的缺陷分析，例如樹(shù)脂與玻纖布的結(jié)合，銅箔厚度的仲裁測(cè)量等；這類(lèi)情況下傳統(tǒng)的機(jī)械研磨就無(wú)法再達(dá)到預(yù)期的觀察效果。
Part 01 什么是機(jī)械研磨？
機(jī)械研磨作為常用的粗樣制備手段，通常的機(jī)械研磨和拋光會(huì)在表面上形成 1 nm 至 100 nm 厚度的非晶層，稱(chēng)為 Beilby 層。Beilby 層會(huì)掩蓋住大部分的樣品真實(shí)信息，對(duì)掃描電鏡表征產(chǎn)生很大的影響。特別對(duì)于常見(jiàn)的金剛石拋光技術(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)使表面的晶粒變形，從而影響表征結(jié)果（例如金相樣品）。離子研磨技術(shù)則克服了上述所有困難，從而提供了高分辨率表征所需的表面光潔度。
Part 02 什么是離子研磨？
離子研磨實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，首先通過(guò)一個(gè)高壓電極來(lái)對(duì)氬氣進(jìn)行電離，從而形成氬離子；繼而再通過(guò)一個(gè)高壓電場(chǎng)來(lái)對(duì)氬離子實(shí)施加速，經(jīng)過(guò)帶有偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的離子槍頭，使其形成離子束對(duì)需要研磨的樣品進(jìn)行轟擊，將樣品表面物質(zhì)以原子的形態(tài)清除出去，以使得樣品達(dá)到無(wú)應(yīng)力研磨的效果。如圖 1 所示。在整個(gè)過(guò)程中會(huì)調(diào)整一些參數(shù)，例如離子能量，離子束入射角，以?xún)?yōu)化樣品制備時(shí)間和表面質(zhì)量。
離子研磨原理
臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡能譜一體機(jī)搭配離子研磨儀，可以輕松高效地研究隱藏在表象下豐富準(zhǔn)確的材料表面形貌成分信息，為用戶(hù)帶來(lái)最高的性?xún)r(jià)比體驗(yàn)。
全自動(dòng)離子研磨儀 SEMPrep2 最多可配備兩支離子槍。高能量離子槍進(jìn)行快速切削，低能量離子槍用于表面的精細(xì)拋光和清潔，制備適用于制備高品質(zhì)的無(wú)損傷樣品。可選配更強(qiáng)大的 16 keV 超高能量離子槍用于超硬材料和更快速切削樣本。可選配液氮或 Peltier 冷卻臺(tái)，保護(hù)對(duì)熱敏感的樣品。該設(shè)備具備的氣鎖系統(tǒng)，有利于大通量樣本 快速交換，顯著縮短換樣時(shí)間。全自動(dòng)化的操作系統(tǒng)，可編程，保存和再現(xiàn)制樣參數(shù)，避免不同操作者的造成的人為差異。
下面是臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡能譜一體機(jī)搭配離子研磨儀應(yīng)用案例。
案例研究一：鋰電池負(fù)極材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)
為了研究不同循環(huán)次數(shù)與充電速率下鋰電池負(fù)極石墨顆粒內(nèi)裂紋的形成，需要對(duì)顆粒截面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。鋰電池材質(zhì)較軟，機(jī)械拋光或切割會(huì)破壞顆粒，因此需要離子研磨進(jìn)行樣品制備以準(zhǔn)確分析材料的微觀結(jié)構(gòu)。
鋰電池負(fù)極石墨顆粒——未使用離子研磨儀制樣（飛納臺(tái)式掃描電鏡拍攝）
鋰電池負(fù)極石墨顆粒——使用 離子研磨儀切開(kāi)負(fù)極材料粉末顆粒（飛納臺(tái)式掃描電鏡拍攝）
案例研究二：鋁合金夾雜物
離子研磨儀處理鋁合金表面后，使用飛納臺(tái)式掃描電鏡能譜一體機(jī)，即刻就能分析鋁合金材料表面的形貌和成分。夾雜是鑄造鋁合金中普遍存在的問(wèn)題，夾雜物的檢測(cè)對(duì)于鑄件的質(zhì)量控制非常重要。
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