材料物理專業實驗

于金庫實驗一、真空蒸發法制備碳膜實驗目的1、了解相關真空設備的工作原理和工作方式；2、了解真空蒸發鍍膜設備的結構和工作原理；3、了解真空蒸發鍍膜的實驗過程和特點。

下圖為真空蒸發鍍膜原理示意圖。主要部分有：(1)真空室。為蒸發過程提供必要的真空環境；(2)蒸發源或蒸發加熱器。放置蒸發材料并對其進行加熱；(3)基板，用于接收蒸發物質并在其表面形成固態蒸發薄膜；(4)基板加熱器及測溫器等。真空蒸發鍍膜包括以下三個基本過程：(1)加熱蒸發過程。包括由凝聚相轉變為氣相(固相或液相一氣相)的相變過程。每種蒸發物質在不同溫度時有不相同的飽和蒸氣壓；蒸發化合物時，其組分之間發生反應，其中有些組分以氣態或蒸氣進入蒸發空間。(2)氣化原子或分子在蒸發源與基片之間的輸運，即這些粒子在環境氣氛中的飛行過程。飛行過程中與真空室內殘余氣體分子發生碰撞的次數，取決于蒸發原子的平均自由程，以及從蒸發源到基片之間的距離，常稱源一基距。(3)蒸發原子或分子在基片表面上的淀積過程，即是蒸氣凝聚、成核、核生長、形成連續薄膜。由于基板溫度遠低于蒸發源溫度。因此，沉積物分子在基板表面將直接發生從氣相到固相的相轉變過程。上述過程都必須在空氣非常稀薄的真空環境中進行。否則，蒸發物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層受到嚴重污染，甚至形成氧化物；或者蒸發源被加熱氧化燒毀：或者由子空氣分子的碰撞阻擋，難以形成均勻連續的薄膜。由于真空蒸發鍍膜必須在高真空狀態下進行工作，這就要求相應的真空設備必須具備抽取高真空的能力。根據課堂所學內容，高真空的獲得需要初級泵和次級泵同時工作才能夠達到，本設備采用機械泵和擴散泵作為真空設備獲得真空。實驗儀器及材料

1.真空鍍膜機1臺（罩內裝有一對碳棒）。2.透射電子顯微鏡1臺。3.金相試紙，AC紙，膠帶，載玻片，銅網，剪刀，鑷子，丙酮，磨口杯，蒸發皿，濾紙，蒸餾水。實驗步驟1、在經過侵蝕的金屬樣品尚滴一滴丙酮（注意不要太多），然后貼上一片稍大于樣品預先準備好的AC紙，注意不要留有氣泡和褶皺（從試樣的一邊開始粘貼）。靜置片刻以使之干燥。揭開并扔掉AC紙，去掉試樣表面的灰塵和銹斑，然后再貼一次AC紙膜。2、用鑷子小心地揭開已經干燥的AC紙，剪去兩邊多余部分后平整地貼在載波片上。3、將載波片放入真空鍍膜機中，以30o～45o角傾斜噴碳鍍膜。鍍膜過程和實驗步驟如下：(1)打開總電源．打開操作面板上的控制開關；(2)打開冷卻水，開機械泵抽5—6min后，給擴散泵加熱，待加熱30min后，停機械泵(3)將低真空三通閥拉出。開磁力充氣閥對鐘罩充氣，取下鐘罩，關磁力充氣閥。(4)在蒸發電極I的鎢絲網內放入金絲或鉻粒。在蒸發電極處安放磁棒，擺好樣品，調好蒸發距離與角度．蓋上鐘罩。(5)開機械泵，開低真空測量，對鍍膜室抽低真空達8—5Pa左右。(6)將低真空三通閥手柄推入抽系統，開高真空蝶閥，待真空度達1×10－1Pa時，開高真空測量；(7)當真空度達到3×10－3Pa時，將開關3HK拔到蒸發檔，蒸發極撥到I，轉動調壓手輪，逐漸加大電流，重金屬發出輝光，隨后開始熬發，待蒸發完畢，把旋轉調壓器手輪歸零。(8)把蒸發電極撥到II位置，再轉動調壓手輪，逐漸加大電流至出現輝光放電，碳開始蒸發，當乳白色瓷片未滴油處出現棕色時，噴碳完畢，旋轉調壓器手輪歸零。(9)待樣品冷卻后，關閉高真空測量和高真空蝶閥，把低真空三通閥手柄拉出，關機械泵，開磁力充氣閥充氣，關充氣閥，取下鐘罩．取出樣品，清洗鍍膜室，蓋上鐘罩。開機械泵抽低真空5—6min后停機械泵，關閉各電源及總電源。待擴散泵停止加熱30min后再關冷卻水，全部工作結束。4、從真空鍍膜機取出載玻片，把碳膜剪成小于銅網大小的方塊，并放入裝有丙酮的磨口杯，此時AC紙徐徐溶解掉，碳膜將浮出液面。5、用銅網把漂浮的碳膜撈起來放進蒸餾水中清洗，再用鑷子夾住銅網把蒸餾水中的碳膜撈起來放在濾紙上，干燥后放入樣品盒中待觀察。

實驗報告要求

簡述物理氣相沉積法制備碳膜的工作原理、特點和主要過程，撰寫實驗報告。思考題

1.在實驗過程中，如果使用的不是石墨電極而是金屬鋁或者鎳，那么會得到什么樣的結果？為什么？2.采用真空蒸鍍法制備碳膜或其它薄膜材料，有哪些用途？實驗二、X射線掠入射角分析薄膜結構實驗儀器本實驗所用儀器為RigakuD/max-2500/PC型X射線衍射儀。實驗所用樣品為采用磁控濺射鍍膜法制備的標準薄膜樣品。基本原理用X射線掠入射來研究物體表面內結構，其基本原理與一般的三維X射線衍射相同，數據處理也與三維情況類似、只不過是加上了表面敏感這一點．從理論推導可以得到由于X射線在物體中的折射率較小，通過掠入射的方法。可使X射線在物體小的透入深度大大減小，從而成為研究物體表面結構的方法。在入射角和出射角接近X射線反射時的臨界角時，可以得到最強的表面信號。對于物體表面內二維結構的分析與—般情況下三維物體X射線衍射結構分析相同．較淺的X射線透人深度，使得布拉格點在垂直表面方向上展寬而成為棒形。通過掠入射，我們可以得到物體在表面內二維結構的主要特征。X射線掠人射比較復雜，需要有專門的實驗裝置．對于X射線源的要求。不僅要強度高，準直性好，而且還要是點光源，并能調節掠射角．對于衍射儀，樣品臺和探測器除了一般的旋轉外，還需要能調節高度。狹縫系統要有水平印垂直二方向的狹縫。—個典型的X射線掠入射裝置如圖1所示，X射線從點光源出發，經過索拉狹縫后入射到單色晶體上，經過單色晶體的X射線變成單色、線狀的光源，在垂直方向具有—定的發散性。這束X射線經過水平和垂直方向雙重狹縫之后，入射到樣品上。此時的x射線水平方向的發散度得到進—步限制。垂直方向的發散度和掠入射角也得到控制．經樣品衍射后的X射線經過水平和垂直狹縫之后到達探測器．具有一定出射角和水平方向衍射角的x射線被探測到．這樣．物體表面內的結構就可以被各種轉動樣品和探測器的掃描方法得到的衍射譜反映出來．實驗步驟

在進行x射線掠入射之前．必須對儀器進行調光．在水平方向調光．在包括單色晶體，各水平狹縫和衍射儀中心位置的凋節，與—般衍射儀的調光方法相同，這兒不再敘述．在垂直方向的調光．必須先使衍射儀的轉軸保持垂直、然后找出使x光線垂直于衍射儀轉軸的垂直方向的狹縫的高度．具體步驟如下：1．調整樣品臺的傾斜。使樣品臺在旋轉時，面上各處的高度不變．此時樣品臺垂直于衍射儀的轉軸。2．調整整個衍射儀的傾斜度．使樣品臺水平。此時衍射儀的轉軸已處于垂直方向．3．在樣品臺邊上設置垂直方向狹縫。打開樣品臺的垂直方向狹縫．調節探測器前狹縫的高度。仗x射線通過這2個狹縫的強度最大。4.在樣品臺上狹縫靠近探測器和靠近單色器二端重復步驟3．觀察探測器前狹縫的高度差．5．改變樣品臺上狹縫的高度．重復步驟4．使二次探測器的高度相同。6．去掉樣品臺上狹縫．并調節樣品臺前面狹縫垂直方向的高度．使信號達到最強．此時兩個垂直方向狹縫的位置為初始值．儀器調好之后。就可以安裝上樣品做掠入射實驗了．樣品的零點高度和傾角的調整可以通過下述方向調整。1.從下往上引高樣品．使x射線的計數強度為原來的一半．然后調節樣品在平行x光線方向的傾角．使計數強度達到極大．2.重復步驟1．直至調節樣品傾角不能使計數強度增大．反而減小‘3.將樣品旋轉90o，重復上面2個步驟．調節這一方向的傾角。上述步驟可多次調節．直到滿意為止．到此調光步驟已經完畢．可以進行掠入射測量了．可以按照如下步驟進行掠入射的測量。1.根據預定的掠入射和出射角的大小．計算并調節垂直方向狹縫的高度和樣品的高度．并根據X射線強度棚分辨率的綜合考慮確定狹縫寬度。2.根據預計的布拉格峰的位置．設置探測器的位置．然后旋轉樣品，找出峰值位置．3.仔細調節布拉格峰的位置。并由此確定樣品的表面取向，4.進行所需的各種x射線衍射實驗。如橫向掃描，縱向掃描．或者倒格矢空間的HK掃描．測定其表面結構。實驗注意事項

X射線掠入射實驗，是一種比較專門的測量方法．無論對于實驗設備．還是實驗方法．都有很高的要求．在實驗設備方面。除了高強度的x光源外．還需要大尺寸的X射線衍射儀。并且有垂直方法可調的狹縫。樣品臺必須具備三維平移的可調性和二維傾角的可調性．由于X射線源強度很大。這種調節最好是在計算機控制下自動調節．在實驗方法方面．儀器和樣品的調節至關重要．關系著實驗的成敗．從上而的實驗步驟中可以看到。儀器和樣品的調節占了—大部分．而最后的測量只占一小部分，可以看出它的分量。如果X射線源的垂直方向的傾角很難調正，如大部分同步輻射X射線光源，也可以用傾斜整個衍射儀的方法實現入射角的調節。也可以用傾斜單色晶體的辦法實現．此時整個衍射儀必須具有橫向平移的功能．因為x射線在改變垂直方向傾角的同時．也改變了水平方向的偏轉角度．X射線單色器．也可以改用相互平行并且相村的兩塊單色晶體組成．這種單色器的優點是入射的X射線和出射的X射線方向一致．很適合在使用同步輻射光源的裝置上的應用．掠入射時的入射角和出射角的選擇非常重要．關系著掠入射的信號強度的大小和X射線在物體中的透人深度．對于研究表面上較薄層處的結構，當入射角和出射角接近于臨界角時，測得的掠入射信號強度最大．在進行這一類實驗時．要選取接近x射線在該物體上發生今反射的臨界角的角度．作為入射角和出射角．在測量物體在不問深度處的結構．可以通過改變入射角和出射角的辦法，改變X射線的透人深度，測量一系列在不同深度時的結構數據．然后通過分析得到結構隨深度的變化關系．在分析物體的表面結構時。要用散射矢量的水平分量．而不是整體數值。來計算物體表面結構．由邊界條件可知．X射線散射矢量的水平分量是固定的．等同于散射矢量在空氣中的數值，因此沒有因折射而引起的修正．對于X射線反射率的測量，也可以采用本實驗裝置，此時．把探測量放在2＝0o的位置，入射角和出射角的調節通過改變各垂直方向狹縫和樣品臺的高度來實現．這對于測定液體表面的反射率是非常必要，因為液體的表面總是水平的。實驗三非晶合金熱處理后的晶化過程實驗目的

1.學習非晶合金晶化所需要的熱處理工藝和過程。2.了解非晶合金的熱力學亞穩特性以及固體相變的主要特征。3.學會使用X射線衍射方法對非晶合金的相變過程進行分析和驗證。實驗原理及方法非晶態金屬合金是將合金組成從氣態或液態快速凝固，以致將原子的液體組態凍結下來。由于這一過程具有明顯的動力學特征，所以從熱力學角度進行分析就可以發現，非晶材料具有明顯的熱力學的不穩定性。在較高的溫度條件下，非晶合金會進行結構弛豫，并導致結晶化。非晶合金晶化時伴隨著1％的致密化，焓降低約相當于熔化潛熱的一半，同時多數物理性能有顯著變化。非晶合金的精華相似于熔體在剛低于熔點時的成核和長大過程，因而提供了一個獨特的機會來研究在可控條件下晶體長大呈各向同性的中間物，以及檢驗經典成核和長大理論在大的過冷條件下應用的可能性。與此同時，非晶合金的局部或者全部晶化，可以用來產生新的有用的微結構，比如納米結構材料。非晶合金的晶化過程由于需要較高的熱處理溫度，所以通常在真空或者保護氣氛下進行。與此同時，熱處理溫度和時間是控制非晶晶化的最主要的工藝參數。熱處理溫度的提高會加快晶化速率，促進晶核的形成和長大。熱處理時間的增加也有利于非晶的結構弛豫和晶體的長大。

實驗步驟

⒈將已經制備好的ZrTiCuNiBe非晶合金放入真空退火爐中；⒉用真空機組對退火爐的真空室抽真空至真空室壓力達到1×10－3帕；⒊將真空退火爐進行通電，并使其溫度保持在560C上，保溫時間為90min；4.待樣品冷卻后取出，進行X射線衍射分析，并對X射線衍射譜進行分析和標定。分析整理實驗數據，寫出實驗報告思考題

⒈在非晶晶化的熱處理工藝參數中，退火溫度應該如何確定？⒉分析退火前后合金樣品的結構差別。實驗四納米壓痕實驗

實驗設備

圖1納米硬度計工作原理示意原位納米力學測試系統(nanoindentation，instrumented-indentationtesting，depth-sensingindentation，continuous-recordingindentation，ultralowloadindentation)是一類先進的材料表面力學性能測試儀器。該類儀器裝有高分辨率的致動器和傳感器，可以控制和監測壓頭在材料中的壓入和退出，能提供高分辨率連續載荷和位移的測量。包括壓痕硬度和劃痕硬度兩種工作模式，主要應用于測試各種薄膜（包括厚度小于100納米的超薄膜、多層復合膜、抗磨損膜、潤滑膜、高分子聚合物膜、生物膜等）、多相復合材料的基體本構和界面、金屬陣列復合材料、類金剛石碳涂層（DLC）、半導體材料、MEMS、生物醫學樣品（包括骨、牙齒、血管等）和生物材料、等在nano水平上的力學特性，還可以進行納米機械加工。通過探針壓痕或劃痕來獲得材料微區的硬度、彈性模量、摩擦系數、磨損率、斷裂剛度、失效、蠕變、應力釋放、分層、粘附力（結合力）、存儲模量、損失模量等力學數據。

圖1為納米硬度計的工作原理圖。納米硬度計主要由移動線圈、加載單元、金剛石壓頭和控制單元4部分組成。壓頭及其所在軸的運動由移動線圈控制，改變線圈電流的大小即可實現壓頭的軸向位移，帶動壓頭垂直壓向試件表面，在試件表面產生壓力。移動線圈設計的關鍵在于既要滿足較大量程的需要，還必須有很高的分辨率，以實現納米級的位移和精確測量。壓頭載荷的測量和控制是通過應變儀來實現的。應變儀發出的信號再反饋到移動線圈上．如此可進行閉環控制，以實現限定載荷和壓深痕實驗。整個壓入過程完全由微機自動控制進行。可在線測量位移與相應的載荷，并建立兩者之間的關系壓頭大多為金剛石壓頭，常用的壓頭有Berkovich壓頭、CubeCorner壓頭和Conical壓頭。Berkovich壓頭是納米壓痕硬度計中最常用的。它可以加工得很尖，而且幾何形狀在很小尺度內保持自相似，適合于小尺度的壓痕實驗。目前，該類壓頭的加工水平：端部半徑50nm，典型值約40nm，中心線和面的夾角精度為J=0.025°。在納米壓痕硬度測量中，Berkovich壓頭是一種理想的壓頭。優點包括：易獲得好的加工質量，很小載荷就能產生塑性，能減小摩擦的影響。Cube-corner壓頭因其三個面相互垂直，像立方體的一個角，故取此名稱。壓頭越尖，就會在接觸區內產生理想的應力和應變。目前，該種壓頭主要用于斷裂韌性(fracturetoughness)的研究。它能在脆性材料的壓痕周圍產生很小的規則裂紋，這樣的裂紋能在相當小的范圍內用來估計斷裂韌性。錐形壓頭圓錐具有尖的自相似幾何形狀，從模型角度常利用它的軸對稱特性，納米壓痕硬度的許多模型均基于圓錐壓痕。由于難以加工出尖的圓錐金剛石壓頭，它在小尺度實驗中很少使用。實驗原理納米壓痕能完成多種力學性能的測試，最直接測量的是硬度(H)和彈性模量(E)；對不會導致壓痕周圍凸起(pile-up)的材料，如大多數陶瓷、硬金屬和加工硬化的軟金屬，硬度和彈性模量的測量精度通常優于10%。在加載過程中，試樣首先發生彈性變形，隨著載荷的增加，試樣開始發生塑性變形，加載曲線呈非線性；卸載曲線反映了被測物體的彈性恢復過程。通過分析加卸載曲線可以得到材料的硬度和彈性模量等。圖3(a)給出了典型的整個加載和卸載過程中的壓痕載荷(1oadorloadonsample)P與位移(displacementordisplacementintosurface)h之間關系的曲線．圖3(b)為一軸對稱壓頭(tip)在加卸載過程中任一壓痕剖面的示意圖。在壓頭壓入材料的過程中，材料經歷了彈性和塑性變形，產生了同壓頭形狀相一致的壓痕接觸深度(contactdepth)hc和接觸圓半徑(radiusofthecircleofcontact)a。在壓頭退出過程中，僅彈性位移恢復。硬度和彈性模量可從最大壓力Pmax，最大壓入深度hmax，卸載后的殘余深度hf和卸載曲線的端部斜率S=dP/dh(稱為彈性接觸剛度elasticcontactstifness)中獲得。假設：試樣為各向同性材料，其幾何尺寸遠大于壓痕的尺寸；材料表面平整；不存在與時間相關的變形，即無蠕變和黏彈性。定義硬度H（hardness）和復合響應模量Er（compositeresponsemodulus）式中P為在任意壓痕深度的實時載荷，A為在P作用下接觸表面的投影面積。根據此定義，納米壓痕硬度是材料對接觸載荷承受能力的量度。這里，請注意該定義與傳統顯微硬度定義(H=Pmax/Aresidual)的區別。對于塑性形變起主要作用的過程，兩種定義給出類似的結果；但是，對于彈性形變為主的接觸過程，兩種定義將給出完全不同的硬度。因為純彈性接觸過程，剩余接觸面積非常小，傳統的定義將導致硬度無窮大。式(2)來源于彈性接觸理論，可以被用來解釋壓頭和試樣的彈性形變，β為與壓頭形狀有關的常數。對不同形狀的壓頭，β數值不同：圖3壓痕載荷與位移示意圖圓形壓頭β=1.000，Berkovich(三棱錐)壓頭=1.034，Vickers壓頭(四棱錐)=1.012。被測試樣的彈性模量可從下式中獲得式中E，v分別為被測材料的彈性模量和泊松比；Ei，vi分別為壓頭的彈性模量和泊松比。對于金剛石壓頭Ei=1141GPa，vi=0.07。這里，要計算出E，必須先知道v。粗略估計一下，當v=0.25±0.1，對大多數材料的彈性模量E僅會產生5.3%的不確定度。所以，在不知道被測材料的情況下，可取v=0.25，這樣不會引起較大的誤差．為了從載荷一位移數據計算出硬度和彈性模量，必須準確地知道彈性接觸剛度和接觸面積。通過卸載后的殘余壓痕照片獲得投影接觸面積，很不方便，對于納米尺度的壓痕，這幾乎不可能。只有通過連續載荷-位移曲線如圖2(a)計算出接觸面積。目前，Oliver-Pharr法是計算接觸面積最常用的方法。這種方法通過如下函數擬合載荷-位移曲線的卸載部分。式中B和m

是通過測量獲得的擬合參數，hf為完全卸載后的位移。彈性接觸剛度便可以根據式(4)的微分計算出對于一條擬合的卸載曲線，式(5)不一定總能提供正確的描述。例如，對附著在基底上的薄膜材料，式(5)就不一定總是正確的。在這種情況下，根據整條卸載曲線擬合得到的參量常常導致非常大的誤差。因此，確定接觸剛度的曲線擬合通常只取卸載曲線頂部的25%~50%。對于彈性接觸，接觸深度(hc)總是小于壓入深度(即最大位移h)，由下式計算式中ε為與壓頭形狀有關的常數。對于球形或棱錐形(如Berkovich和Vickers)壓頭，ε=0.75；錐形壓頭，ε=0.72。雖然式(6)來源于彈性接觸理論，但對塑性變形也符合得相當好。值得注意的是，式(6)不能說明凸起(pile—up)的塑性現象，因為假設接觸深度總是小于壓入深度。接觸面積的投影A可由經驗公式A=f(hc)計算。對于一個理想的Berkovich壓頭，A=24.56hc2。實驗樣品

1標準樣品（單晶鋁和熔融石英）2類金剛石薄膜實驗步驟

1.開機，調零，系統初始化，儀器預熱30min。2.放入樣品，尋找光學視場，即確定Z軸安全極限。“Video”3.設立X，Y軸安全范圍，即操作安全區域，然后壓頭快速逼近。“Safetylimits”4.掃描圖像，尋找合適的操作點。通過調整掃描速率，扣除背底以及圖像顏色控制等調整圖像質量。“Imagine”