氬離子拋光技術是對樣品表面進行拋光，去除損傷層，從而得到高質量樣品，用于在 SEM，光鏡或者掃描探針顯微鏡上進行成像、EDS、EBSD、CL、EBIC 或其它分析。針對不同的樣品的硬度，設置不同的電壓、電流、離子槍的角度、離子束窗口，控制氬離子作用的深度、強度、角度、這樣精準的參數，有利于制備成研究者理想的材料樣品，這樣的樣品不僅表面光滑無損傷，而且還原材料內部的真實結構，正如頁巖內部的細微孔隙在SEM下放大到10K時也能看得清清楚楚，以及材料內部的不同物質分層都能看的分界線明顯。

　　氬離子拋光機具備樣品切割和拋光兩項功能；

　　氬離子拋光在材料制樣的特出優點：

　　（1）對由硬材料和軟材料組成的復合材料樣品, 能夠很精細地制作軟硬接合部的截面, 而使用傳統方法制樣是很困難的。

　　（2）比FIB方法的拋光面積更大（~1mm以上）。

　　氬離子拋光機可以用于各種材料樣品（除了液態）的制備，適應大多數材料類型，對大面積、表面或輻照及能量敏感樣品尤佳：鋼鐵、地質、油頁巖、 鋰離子電池、光伏材料、 薄膜、半導體、EBSD、生物材料等包括平面拋光與截面拋光。

　　氬離子束拋光：適合各類樣品 o軟硬金屬材料皆可 o同一樣品含軟硬不同材料

　　o多孔材料 o濕或油性樣品：油頁巖 o有機物

　　氬離子束拋光：具體應用領域有： EBSD 樣品、光伏、半導體、金屬(氧化物, 合金)、陶瓷

　　地質樣品，油頁巖、CL

　　以用氬離子拋光制樣，觀察頁巖樣品內部孔隙結構為例：

　　近年來隨著非常規油氣資源勘探和開發的不斷發展，頁巖氣已逐漸成為未來能源的主要形式之一。掃描電鏡一直是油氣地質微觀研究中的重要手段結合。最近興起的氬離子拋光技術，能夠進一步揭示頁巖內部納米級孔隙的真實形貌，

　　但是作為石油地質行業新興的實驗技術，氬離子拋光—掃描電鏡制樣方面依然是更多地借鑒材料等其他行業的方法。由于頁巖結構的特殊性，其內部存在大量納米級的微孔隙，從原子力顯微鏡(AFM)圖像來看，其深度多在數納米至數十納米之間(圖1)，因此對于樣品平整度的要求極高。

　　目前的制樣方法是否適用于頁巖結構的分析，還值得深入研究。本文從拋光過程入手，通過對照掃描電鏡分析結果，對制樣過程中的各類因素進行分析，以期找到更為適合的頁巖拋光制樣方法。

　　1 實驗部分

　　實驗用儀器:ZEISS SIGMA 熱場發射掃描電鏡、HITACHI IM4000 氬離子拋光儀、IsoMet 4000

　　精密切片機。

　　氬離子拋光是利用高壓電場使氬氣電離產生離子態，產生的氬離子在加速電壓的作用下，高速轟擊樣品表面，對樣品進行逐層剝蝕而達到拋光的效果(圖2)。

　　首先需要將頁巖樣品切割成合適的小塊( 約10 mm × 10 mm × 3 mm)，選定需要拋光的截面(一般為垂直于頁巖層理，以獲取頁巖不同層理間的信息) ，用不同粒度的砂紙( 從粗到細) 對其進行打磨。然后將樣品固定在拋光儀上，抽真空，設置好加速電壓等工作參數，利用高能氬離子束進行拋光處理。

　　另外值得注意的是，雖然頁巖樣品拋光前采用砂紙打磨，但在電鏡下依然可見大量微米級的假孔隙存在(圖2)。這些孔隙主要來源于機械切割，孔徑多在50 μm 以下。因此在將頁巖樣品固定時，保證樣品高出擋板100 μm 左右，以避免假孔隙影響，才能獲得頁巖內部真實的孔隙截面形貌。拋光處理后，本文采用場發射掃描電鏡(二次電子SE2 檢測器)對頁巖拋光表面進行分析對比。

　　2 結果和討論

　　由于頁巖較強的非均質性，本實驗中選取拋光對象均為同一頁巖樣本。拋光過程涉及到眾多因素，主要包括加速電壓、拋光時間、拋光角度、樣品臺轉速及氬氣流速等。由于儀器的特性，氬氣流速可調范圍較小，本文主要針對前四者進行分析。

　　2． 1影響因素一：加速電壓

　　加速電壓決定了氬離子束的能量，直接關系到拋光過程能否完成及拋光的質量，是拋光制樣中最為重要的因素。本實驗中當加速電壓低于3． 5 kV時幾乎無法對頁巖樣品進行拋光。主要原因在于頁巖中含有大量的石英等礦物，其硬度較高，需要較高的能量對其進行切割拋光，即采用相對較高的加速電壓。但是，隨著加速電壓的增大，拋光區域會略有增大，而拋光面的平整度卻隨之降低(圖3)。4 ～ 5 kV 加速電壓下，頁巖拋光面平整度較好，幾乎未見條帶狀劃痕(圖3a，b);高放大倍數下

　　(圖3d，e)，4 kV加速電壓的拋光效果略優于5 kV。

　　當加速電壓增大至6 kV 時，拋光面的劃痕明顯增加(圖3c，f)。顯然，加速電壓越高，氬離子束所攜帶的能量也就越高，其轟擊樣品時所產生的破壞性也就越大。而較低的加速電壓下，氬離子束的轟擊更加“溫和”，更容易獲得平整的拋光截面。

　　另外，我們發現頁巖拋光后，部分微孔隙背對離子束的一側會出現較短的凹槽，方向與離子束方向一致(圖3f 左側)。其原因可能在于:頁巖拋光過程中會產生大量的直徑為納米級的細小顆粒，這些顆粒具有被高能氬離子轟擊后獲得向前的速度，同時由于重力的作用而下落，而孔隙的存在正好能為這些顆粒提供一個向下的空間。因此這些高能顆粒就會以一定的角度對孔隙另一側進行“二次拋光”，直至其能量耗盡。這也表現在孔隙背后的凹槽隨著距離的增大而變淺，直至消失。同樣，凹槽的出現也與加速電壓的大小息息相關，較低的加速電壓能夠明顯降低凹槽出現的幾率。因此在實際工作中，在滿足完成拋光所需能量的同時，盡可能選擇相對較低的加速電壓進行拋光制樣。

　　2． 2影響因素二：拋光時間

　　不同的拋光時間，除了影響拋光區域的大小，也會影響拋光樣品的平整度。從實驗結果(圖4)可以看出:經過2 h 拋光后，頁巖拋光面積較小，表面劃痕明顯;3 h 獲得的拋光效果最佳，4 h 次之;當時間進一步延長達到8 h 以后，拋光面積明顯增大，但樣品表面的劃痕明顯增多，平整度甚至遜于拋光2 h 獲得的結果。因此拋光時間并非越長越好，過長的拋光時間反而會導致拋光質量降低。

　　2． 3影響因素三：拋光角度

　　拋光角度與氬離子束的入射角，即離子束與樣品間的夾角緊密相關。本組實驗中，研究了離子束入射角為15°、30°、40°三種情況下頁巖的拋光效果(圖5)。由于拋光過程中，樣品是隨著樣品臺不停地左右轉動的，因此實際上樣品的拋光角度可以分別達到30°、60°和80°。

　　從圖5 可以看出，離子束入射角為15° 時，頁巖截面的條帶狀拋光痕跡非常明顯，平整度較差。而入射角為30°和40°時，這一情況得到明顯改善。低放大倍數下，后者略優于前者;高放大倍數下，入射角為40° 條件下幾乎未見拋光劃痕，平整度極好。另外，拋光的區域會隨著拋光角度的增大而增大，如果需要較大的觀測區域，那么可以在此范圍內適當增大入射角度。但當入射角進一步增大時，拋光的深度會顯著減少，導致拋光區域呈長條狀，不利于后期的分析觀察。

　　2． 4影響因素四：樣品臺轉速

　　前文中提到，拋光過程中樣品是隨著樣品臺不停地左右轉動的，即離子束拋光區域不停地左右變換，這里的轉速就是指樣品臺左右變換的頻率。實驗選取了2 種不同的樣品臺轉速:3 次/min 及30 次/min，結果如圖6 所示。顯然較低樣品臺轉速條件下，頁巖拋光的效果更佳，拋光面的劃痕遠少于高樣品臺轉速條件下的。樣品臺的轉速越快，則相當于在單位時間內拋光的次數越多，其實際效果等同于同轉速下拋光時間的延長［21］。因此，在實驗條件下，3 次/min 的轉速更有利于降低樣品表面的粗糙度，獲得更為平整的頁巖拋光截面。

　　3 結論

　　較低的加速電壓(4 ～ 5 kV) 有利于獲得較好的拋光質量;頁巖拋光區域的平整度會隨拋光時間的延長而變好，但到達一定的時間(4 h 以后)，其平整度會逐漸降低;較大的離子束入射角(15° ～40°范圍內)更易獲得較平整的拋光面;較低的樣品臺轉速(3 次/min) 條件下的拋光效果明顯優于高轉速(30 次/min)條件下的。在對上述條件進行優化后，能夠獲得更為平整的頁巖拋光面，更有利于后期的分析工作。
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　　審核編輯：ymf