aterials CharacterizationMM

การเตรียมชิ้นงานสำ หรับเทคนิค TEM

เพ็ญนภา มุทิตามงคล

ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์เชิงฟิสิกส์

หน่วยวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของวัสดุ

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

e-mail: pennapm@mtec.or.th

การศึกษาโครงสร้างผลึกและสัณฐานของวัสดุนาโนมีความสำ คัญต่อการวิจัยและ พัฒนาเพื่อให้ได้วัสดุที่มีสมบัติตามวัตถุประสงค์ที่ต้องการ ดังนั้น เทคนิคจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบทรานสมิสชัน (Transmission Electron Microscopy, TEM) จึง มีความจำ เป็นอย่างยิ่ง ปัจจัยสำ คัญอย่างหนึ่งที่ทำ ให้ผลจากเทคนิค TEM ถูกต้องและ สมบูรณ์ ได้แก่ การเตรียมชิ้นงานตัวอย่าง บทความนี้จำ แนกตัวอย่างตามลักษณะทางกายภาพเป็น 2 ลักษณะคือ 1) แบบผง หรือ อนุภาค (powder หรือ particles) และ 2) แบบก้อน (bulk)

1. ตัวอย่างอนุภาคนาโน (nano-particles) ตัวอย่างลักษณะนี้ ได้แก่ อนุภาคซิลเวอร์นาโน อนุภาคทองนาโน การเตรียมตัวอย่างลักษณะน้ีค่อนข้างง่ายสะดวกและรวดเร็วขั้นตอนเป็นดังนี้

•นำาผงตัวอย่างมาทำาให้กระจายตัวในของเหลวตัวกลางของเหลวท่ีนิยมคือน้ำาปราศจากไอออน(DIwater)และ แอลกอฮอล์

•นำาไปเขย่าด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง(sonication)ประมาณ15นาทีระยะเวลาและระดับความแรงขึ้นกับ สมบัติของผงตัวอย่าง

•หยดตัวอย่างที่อนุภาคกระจายตัวดีแล้วลงบนแผ่นรองรับตัวอย่าง(grid)และปล่อยให้แห้งจากนั้นจึงนำาไปวิเคราะห์ด้วยเครื่องTEM

แผ่นรองรบัตวัอยา่งอาจทำาไดจ้ากวสัดหุลายชนดิเชน่ทองแดงทองเหลก็กลา้ไรส้นมิและนกิเกลิแผน่รองรับ ตวัอยา่งมคีวามถีข่องชอ่งท่ีแตกตา่งกนั(ภาพท่ี1)และมกีารเคลอืบฟลิม์หลายรปูแบบ(ภาพที่2)สำาหรบัใชกั้บผงตวัอยา่ง ที่มีขนาดนาโนเมตรอีกด้วย

เมษายน - มิถุนายน 2558 33

ภาพที่ 1 แผ่นรองรับตัวอย่างที่มีความถี่ของช่องที่แตกต่างกัน

Formvar film grid:แผ่นรองรับแบบเคลือบด้วยฟิล์มพอลิเมอร์ชั้นเดียวชั้นฟิล์มมีความหนาประมาณ30-70 นาโนเมตรแผน่รองรบัชนดินีม้รีาคาต่ำากวา่ชนดิอืน่สามารถใชกั้บผงตวัอย่างทัว่ไปได้แตไ่มเ่หมาะกับการทดสอบ ดว้ยTEMท่ีใชค้วามตา่งศักย์200กโิลอเิล็กตรอนโวลต์(keV)เนือ่งจากชัน้พอลเิมอรจ์ะถูกทำาลายดว้ยความรอ้น ที่เกิดขึ้นระหว่างทดสอบ

Carbon film grid:แผน่รองรบัแบบเคลอืบดว้ยฟลิม์คารบ์อนทีม่โีครงสรา้งแบบอสณัฐาน(amorphous)ชัน้เดยีว และเคลือบเพียงด้านเดียวให้มีความหนา20-30นาโนเมตรแผ่นรองรับแบบนี้เหมาะกับผงตัวอย่างทั่วไปเช่นอนุภาคซิลเวอร์นาโนและสามารถใช้ทดสอบโดยใช้ความต่างศักย์200กิโลอิเล็กตรอนโวลต์(keV)ได้

Formvar/Carbon film grid:แผ่นรองรบัแบบเคลอืบดว้ยฟลิม์พอลเิมอรแ์ละฟลิม์คารบ์อนเหมาะกบัการรองรบั ชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่เช่นชิ้นงานที่อยู่ในลักษณะแผ่นฟิล์ม

Lacey carbon film: แผน่รองรบัแบบเคลอืบดว้ยฟลิม์คารบ์อนทีม่รีปูแบบคลา้ยใยแมงมมุเหมาะกบัผงตวัอยา่ง คาร์บอนนาโนทิวป์

เมษายน - มิถุนายน 255834

Holey carbon film:แผน่รองรบัแบบเคลอืบดว้ยฟลิม์คารบ์อนทีม่รีปูแบบเปน็วงกลมเหมาะกับชิน้งานทีม่ลีกัษณะ เป็นเส้นใย

ภาพที่ 2 แผ่นรองรับตัวอย่างที่เคลือบฟิล์มรูปแบบต่างๆ

การเลือกชนิดและรูปแบบของแผ่นรองรับเพื่อใช้กับผงวัสดุนาโนมีหลักในการพิจารณา ดังนี้• ลกัษณะโครงสรา้งและสมบตัขิองตวัอยา่งทีต่อ้งการวเิคราะห์เชน่การทนความรอ้นและความเปน็แมเ่หลก็• สภาวะการทำางานของเครื่องTEMที่ใช้ในการวิเคราะห์ได้แก่ความต่างศักย์ของเครื่องและกำาลังขยาย

ที่ต้องการยกตัวอย่างเช่นแผ่นรองรับแบบเคลือบด้วยฟิล์มพอลิเมอร์ชั้นเดียวไม่เหมาะที่จะนำามาวิเคราะห์ในสภาวะที่ใช้ความต่างศักย์ของเครื่องสูง เนื่องจากฟิล์มพอลิเมอร์ไม่ทนความร้อนภายในเครื่องและอาจ ฉีกขาดส่งผลให้ถ่ายภาพไม่ได้

• องคป์ระกอบทางเคมขีองตวัอยา่งเชน่ถา้ตอ้งการวเิคราะหท์องแดงแผน่รองรบัตวัอย่างทีใ่ชจ้ะตอ้งทำามาจาก วัสดุอื่นที่ไม่ใช่ทองแดงเป็นต้น

2. ตัวอย่างเป็นก้อนเซรามิก (Bulk ceramic) กรณีนี้สว่นใหญต่อ้งการศกึษาชิน้งานทีผ่่านการขึน้รปูมาแล้วจึงทำาใหข้ัน้ตอนการเตรยีมชิน้งานซบัซอ้นมากขึน้ดังนี้

• นำาชิ้นงานที่สนใจศึกษามาตัดให้เป็นชิ้นขนาดเล็กประมาณ5มิลลิเมตรx5มิลลิเมตร• กรณีต้องการศึกษาภาคตัดขวาง(cross-section)จะต้องประกบชิ้นงานที่ตัดมา2ชิ้นด้วยกาวเรซิน• ขัดชิ้นงานด้วยDiamondlappingfilmที่มีความหยาบเรียงจาก30,15,9,3,1และ0.5ไมครอนตาม

ลำาดับจนกระทั่งชิ้นงานมีความหนาน้อยกว่าหรือประมาณ10ไมครอน• ตดิชิน้งานทีม่คีวามบางเหมาะสมแล้วเขา้กบัแผน่รองรบัตวัอยา่งดว้ยกาวเรซนิแผน่รองรบัตวัอยา่งมใีหเ้ลอืก

หลายรูปแบบและมีขนาดต่างๆ กัน (ภาพที่ 3) การเลือกใช้แผ่นรองรับตัวอย่างจะต้องเลือกให้เหมาะกับ ลกัษณะและขนาดสดุทา้ยของชิน้งานทีข่ดัได้กลา่วคอืหากสามารถเตรยีมตวัอยา่งใหม้พีืน้ทีท่ีล่ำาอเิลก็ตรอน สามารถส่องผ่านได้มาก(พื้นที่ที่บางน้อยกว่า100nm)ก็อาจใช้แผ่นรองรับตัวอย่างที่มีช่องว่างขนาดใหญ ่ได้ซึ่งขั้นตอนนี้ต้องใช้ประสบการณ์

ภาพที่ 3 ลักษณะของแผ่นรองรับตัวอย่างที่เป็นก้อนรูปแบบต่างๆ

• นำาชิน้งานท่ีตดิอยูบ่นแผ่นรองรบัตวัอยา่งแลว้ไปทำาใหบ้างลงไปอกีดว้ยเครือ่งขดัดว้ยลำาไอออน(PrecisionIon PolishingSystem,PIPS)เครื่องนี้อาศัยลำาไอออนของก๊าซอาร์กอนในการกัดเซาะผิวหน้าชิ้นงานเพื่อให้ ชิน้งานมคีวามบางจนถงึระดบัท่ีใชว้เิคราะหด์ว้ยเครือ่งTEMได้(ประมาณ100นาโนเมตรหรอืบางกวา่นัน้)

เมษายน - มิถุนายน 2558 35

ภาพที่ 4 เครื่องขัดด้วยลำาไอออน

3. ตัวอย่างเป็นก้อนโลหะ (Bulk metal) การเตรียมตัวอย่างลักษณะนี้จะต้องอาศัยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเพื่อทำาให้ได้ชิ้นงานที่เหมาะสมมีขั้นตอนดังนี้

• เจาะแผ่นโลหะที่มีความหนาไม่เกิน50ไมครอนด้วยเครื่องเจาะชิ้นงานโลหะ(discpuncher)(ภาพที่5)เพื่อให้ได้แผ่นโลหะบางรูปวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง3มิลลิเมตร

ภาพที่ 5 เครื่องเจาะชิ้นงานโลหะ

• นำาชิน้งานโลหะท่ีไดม้าทำาใหบ้างลงอกีดว้ยเครือ่งขัดบางเชงิไฟฟา้(electropolisher)(ภาพที่6)เครือ่งนีอ้าศยั หลักการทางไฟฟ้าเคมีเพื่อทำาให้ได้พื้นผิวชิ้นงานที่บาง

ภาพที่ 6 เครื่องขัดบางเชิงไฟฟ้า (ซ้าย) และหลักการทำางานของเครื่อง (ขวา) สิ่งที่ควรทราบก่อนใช้งานเครื่องขัดบางเชิงไฟฟ้า การเลือกสารละลายอิเล็กโทรไลต์สำาหรับใช้ในเครื่องขัดบางเชิงไฟฟ้าเป็นเรื่องสำาคัญที่ผู้เตรียมตัวอย่างต้องหา ข้อมูลเนื่องจากวัสดุแต่ละชนิดมีโครงสร้างและองค์ประกอบที่แตกต่างกันดังนั้นอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ก็แตกต่างกันด้วย นอกจากนี้สภาวะของการขดัเชน่คา่กระแสศกัยไ์ฟฟา้และอณุหภมูทิีใ่ชจ้ะตอ้งเหมาะสมกบัชิน้งานทีน่ำามาศกึษา เน่ืองจากบางครัง้อเิล็กโทรไลตท่ี์ใชเ้กดิปฏกิริยิาเคมรีนุแรงมากอาจทำาใหเ้กิดความรอ้นสงูดงันัน้จงึจำาเปน็ตอ้งลดอณุหภมู ิเพื่อทำาให้ปฏิกิริยาเกิดช้าลงโดยอาจใช้น้ำาหล่อเย็นหรือไนโตรเจนเหลวช่วยในกรณีที่ต้องการอุณหภูมิติดลบ

เมษายน - มิถุนายน 255836

ตารางที่ 1แสดงตัวอย่างของสภาวะที่ใช้ในการขัดบางเชิงไฟฟ้าของตัวอย่างประเภทต่างๆ

MATERIAL AND REFERENCE METHOD CONDITIONSAl-0.39wt.%Cu(Gleiter,1969a)

Electropolish:20%perchloricacid80%methanolInitialthinningbymechanicalgrinding.Foilssoakedinaphosphoricacidbathfor15mintoremovedeformedsurfacelayersbeforeelectropolishing

12V,0oC

Al-0.46wt.%Cu(Gleiter,1969b)

Electropolish:33%nitricacid67%methanol

15V,-27oCBollmannmethod

Al-3%Cu(Phillips,1973)

Chemical polish:quenchedsample94%phosphoricacid6%nitricacid

Chemical polish: agedsample50%nitricacid49%water1%hydrofluoricacid

Al-4%Cu(SahooandLund,1973)

Electropolish:50%nitricacid50%methanol1mlhydrochloricacidper50mlsolution

Al-CuAl2(GarmongandRhodes,1974)

Electropolish:75%methanol25%nitricacid

35V,-40oC

Al-CuAl2(Yueetal,1968)

Jet polish:10%perchloricacid90%methanol

12V,0.026A/cm2,-10oC

Al-CuAl2(Livingstonetal,1970,DaviesandHellawell,1969,Weatherly,1968)

Jet:10%nitricacid20%orthophosphoricacid30%aceticacid40%water

Followedbybriefelectropolishingin:30%nitricacid70%methanol

70V,roomtemp.

30V,-40oC

Al-Cu-Mgeutectic(GarmongandRhodes,1972)

Electropolish:25%nitricacid75%methanol

35-40V,-40oC

Al-Cu-Mg-Mnalloys(RobinsonandHunter,1972)

Chemical:40%hydrochloricacid60%water

Electropolish:722mlorthophosphoricacid(85%)137mlsulphuricacid(98%)

9-10V

ที่มา : คู่มือเครื่องขัดบางด้วยไฟฟ้า (electropolisher รุ่น TenuPol 5)

สรุป หลกัการเตรยีมชิน้งานสำาหรบัเทคนคิTEMนัน้จะเนน้ทีค่วามบางเปน็หลกั(ต่ำากวา่100nm)เพือ่ใหอ้เิลก็ตรอน ทะลุผ่านได้การทำาให้วัสดุมีความบางได้นั้นขึ้นอยู่กับสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุนั้นๆด้วยเช่นความแข็งความเหนียว ความเปราะเป็นต้นดังนั้นวัสดุแต่ละชนิดก็จะมีวิธีการเตรียมที่แตกต่างกัน

เอกสารอ้างอิง 1. D. B. Williams and C. B. Carter, Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Material Science,

2nd Ed., Springer, New York (2009).2. https://mme.iitm.ac.in/swamnthn/sites/default/files/Lec13.pdf3. www.grid-tech.com