成分空间连续分布的Fe-Co-Ni材料芯片制备与表征
高通量材料制备和表征是材料基因组工程的重要组成部分,以组合材料芯片为代表的高通量制备技术结合同步辐射光源的强大表征能力,是实现材料成分、结构和性能等多参量的快速、准确、系统表征的基础。此处以三元相图测定为目标,简要介绍一种基于离子溅射的Fe-Co-Ni组合材料芯片的制备以及在此基础上对成分空间中的相组成表征的结果。
系统性地建立材料成分、结构、工艺参数与性能之间的关联关系,即构建材料“相图”,是材料科学与工程的中心任务之一。传统的相图测定方法受制于扩散动力学,是一项漫长而艰苦的过程,以三元合金相图为例。通过传统实验方法测定相图需要分别研究各成分在不同温度下的成相情况,并基于对大量实验数据的汇编,在以平面内为成分变量、法向轴为温度变量的三维空间中绘制相界。完成一个相图通常需要收集数千次实验的数据,汇集多个研究小组历经数年努力的成果。
以组合材料芯片【1】为代表的高通量制备技术受集成电路芯片与基因芯片启发,在一块基底上,通过精妙设计,以任意元素为基本单元,组合集成并且快速表征多达10-108种成分、结构、物相等,实验通量的大幅度提高带来研究效率的根本转变。同步辐射光源具有高亮度和高时空分辨率的特性,在基于组合材料芯片技术的材料相图测定中,基于同步辐射辐射的高通量表征尤其重要。一般的实验室光源亮度和光斑尺寸难以实现高通量和跨尺度表征,只有同步辐射才能提供实时表征所需的射线通量,再结合激光逐点逐步加热技术,有望实现一块芯片、一次实验、一个相图的构想【2】。
这里我们尝试了“单芯片方法”构建Fe-Co-Ni三元系等温截面相图。完整覆盖Fe-Co-Ni三元系目标材料体系成分的组合材料样品通过离子溅射的方法制备,因为成分由各组分薄膜厚度之比决定,采用精密掩模装置,使用连续移动的掩模挡板,可以方便地制备完整覆盖三元成分空间的组合材料芯片叠层前驱体。实验在中国建筑材料研究总院的高真空离子束溅射组合材料芯片制备系统(HTC-IBD)上完成,如图1(a)所示,在元素A薄膜的沉积过程中,挡板从正三角形基片的一边恒速向对角移动,从而得到厚度呈楔形分布的薄膜(如图1(b)中的A层薄膜)。然后将基片顺时针旋转120o,可进行下一元素沉积。将此过程重复两次,制备出如图1(b)和1(c)所示的厚度为100 nm的该体系完备的组合材料芯片。
图1:(a)三元叠层薄膜掩模组合材料芯片制备方法;(b)组分呈梯度分布的叠层薄膜样品示意图;(c)所得到的样品
沉积的组合芯片样品封装于石英管中置于马弗炉内分别在500、600、700和800oC进行等温晶化处理2 h。然后对芯片覆盖的成分空间进行微束X射线物相表征。
微束X射线物相表征在美国Argonne国家实验室的APS/ANL 11-ID-D线站上进行,X射线为15.5keV(l=0.07999 nm)的单色光,光子通量为2x1012ph/s,束斑垂直方向尺寸45µm,水平方向尺寸100µm,使用Dectris Pilatus 2M面探测器接收衍射信号。测试在室温大气中进行,样品置于X-Y步进样品台上,X射线以10o或15o入射,水平方向扫描步长为600µm/step,垂直方向步长为500µm/step,曝光时间为1 s/step。
一组典型的Pilatus 2M面探测器采集的衍射谱图经转换后如图2所示,根据峰位的分布特征,可以明显地区分出fcc结构和bcc结构的谱图。在两种结构的谱图中由于化学成分的变化,峰位产生系统的偏移,表明晶格常数随化学成分的系统改变。
图2:Fe-Co-Ni芯片样品随成分变化的典型X射线衍射谱图
将X射线谱图的结构信息归类,即可在Fe-Co-Ni成分空间中绘制出三元相图的等温截面(图3)。与ASM相图数据报道的相比,本研究测定的相区完全吻合,证明通过组合材料芯片的方法能可靠地测定三元相图的等温截面,与传统方法相比在研究效率上有明显提升。并且可以推广到其它体系。
图3:Fe-Co-Ni系600oC等温截面(a)本研究测定;(b)ASM phase diagram database报道的数据
作者:张澜庭,博士,教授,上海交通大学材料基因组联合研究中心/材料科学与工程学院。
对本项目贡献的有:组合材料芯片制备由汪洪在中国建筑材料研究总院完成;同步辐射表征由王宇杰在美国Argonne国家实验室完成;数据处理由邢辉和李金东完成。
联系方式:上海市东川路800号,200240
Email:lantingzh@sjtu.edu.cn
参考文献
[1] X. -D. Xiang, X. Sun, G. Briceño, Y. Lou, K. Wang, H. Chang, W. G. Wallace-Freedman, S. -W. Chen, P. G. Schultz. A combinatorial approach to materials discovery. Science, 1995, 268(5218): 1738-1740.
[2] Xiao-Dong Xiang, Gang Wang, Xiaokun Zhang, Yong Xiang, Hong Wang, Individualized pixel synthesis and characterization of combinatorial materials chips, Engineering, 2015, 1(2), 225-233.