方法文章

原位多束透射电子显微镜辐照实验的样品制备与实验设计

DOI：

10.3791/61293

⸱

2022年6月27日

 ,  ,  , 
1Sandia National Laboratories, 2Los Alamos National Laboratory

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

概述了针对原位离子辐照透射电子显微镜（TEM）实验的样品制备技术，并详细讨论了离子种类、能量和注量的选择与计算方法。最后，描述了实验的实施步骤，并附有代表性结果。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

有必要理解在高温、辐射或机械应力等多重极端环境共同作用下材料的行为。当这些应力因素叠加时，可能会产生协同效应，从而激活独特的微观结构演化机制。理解这些机制对于预测模型的输入与优化至关重要，同时也是下一代材料工程设计的关键。上述基本物理过程及内在机制需要借助先进工具才能开展研究。原位离子辐照透射电子显微镜（I³TEM）正是为探索这些原理而设计的。

为了定量研究材料中复杂的动态相互作用，必须仔细制备样品并周密考虑实验设计。特定的样品处理或制备方法很容易引入损伤或特征，从而干扰测量结果。样品制备没有唯一正确的方法，但容易出现诸多错误。本文重点指出了最常见的错误以及需要考虑的关键因素。I³TEM 具有许多可调节的变量和广阔的实验空间，因此最好在设计实验时明确具体的科学问题或一系列科学问题。

已在大量不同的样品几何形状、材料类别以及多种辐照条件下开展了实验。以下是利用I3TEM技术展示其独特原位能力的部分示例。通过滴涂法制备的金纳米颗粒被用于研究单个离子轰击效应；金薄膜被用于研究多束辐照对微观结构演化的影响；锆薄膜在辐照与机械拉伸的共同作用下被用于考察蠕变行为；银纳米柱则在高温、机械压缩与离子辐照同时作用的条件下被用于研究辐照诱导的蠕变现象。这些研究成果对结构材料、核能、能量存储、催化以及空间环境中的微电子等领域具有重要影响。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

透射电子显微镜（TEM）因其能够在纳米尺度上观察样品而被广泛使用。在电子显微镜发展的早期，显微技术研究者就认识到原位透射电子显微镜（in situ TEM）是一种强大的工具，可用于直接观察晶体缺陷的作用、反应速率的动力学测量以及动态过程中基本机制的研究1。通过精确控制环境并直接观察材料的演化过程，可以获得对基本机制的深入理解。这些知识有助于建立材料响应的预测模型2,3，这在传统材料可靠性测试极为困难的应用中至关重要；例如材料处于极端遥远的位置、处于极其恶劣的环境中、需要超长时间服役，或上述因素的组合情况。辐射环境就是这样一个典型例子，由于辐射区域的危险性、放射性材料的处理难度以及效应显现所需的时间极长，开展实验研究面临重大挑战。

空间环境和核反应堆环境都是此类极端辐射环境的实例。用于核能的材料可能暴露于高能中子以及一系列高能带电粒子中。同样，在空间应用中，材料也可能暴露于多种带电粒子。要理解并建立材料在这些复杂而极端环境中辐照后演变行为的预测模型，必须深入了解发生在纳米尺度上的基本机制。原位透射电子显微镜（TEM）是一种可用于实时研究这些动态纳米尺度机制的工具4,5。

透射电子显微镜（TEM）中的原位离子辐照实验始于1961年，当时因钨电子枪灯丝受到污染而意外发射出O-离子6。哈威尔的研究人员首次将重离子加速器与透射电子显微镜连接，以直接观测离子辐照效应7。近年来，多个研究机构已建成配备多个离子加速器的显微镜系统，以开展原位多束离子辐照实验，这些机构包括日本原子能研究机构8、国家材料科学研究所9、阿贡国家实验室10、哈德斯菲尔德大学11、JANNUS Orsay12、武汉大学13、桑迪亚国家实验室14以及其它正在建设中的多个设施15。多束离子辐照可用于研究在复杂辐射环境中，材料因同时产生气体和位移级联损伤而引发的协同效应。通常在多束辐照实验中使用高温或低温TEM样品台，以更真实地模拟特定环境，因为温度在缺陷演化过程中起着重要作用。此外，还可结合力学测试样品台，以量化协同效应对材料力学性能变化随辐照剂量演变的影响。

离子辐照作为一种加速老化技术，已被用于模拟反应堆环境中中子辐照所产生的原子位移级联损伤，该技术能够在避免靶材长时间活化的同时，提供高出数个数量级的损伤速率16。桑迪亚国家实验室的I3TEM设施利用两种类型的加速器，从而实现多种离子种类和能量范围的选择。高能离子束由一台6 MV的串列加速器产生，低能离子则由一台10 kV的Colutron加速器产生。串列加速器已成功产生能量高达100 MeV的Au离子，而Colutron加速器已成功运行包括H、氘（D）、He、N和Xe在内的气态离子种类14,17。可利用D2和He混合气体等离子体，结合来自串列加速器的重离子束以及来自Colutron加速器的D2 + He混合离子束，实现三束离子同时辐照。

精确控制离子的产生可实现对材料剂量的精准调控，以达到目标损伤和注入浓度。在利用离子束辐照模拟中子辐照时，可计算以每个原子的位移数（dpa）表示的损伤剂量。该值表示原子从其原始晶格位置发生位移的平均次数，不同于总缺陷浓度。计算总缺陷浓度需要更先进的模拟工具，能够考虑复合效应。dpa 可通过离子辐照损伤模型计算，例如蒙特卡罗模拟软件“物质中离子的停止与射程”（Stopping Range of Ions in Matter, SRIM）18。SRIM 能够根据靶材成分、离子种类和离子能量，输出靶材中的空位分布、阻止本领以及离子射程。这些信息对于量化离子注入、辐射损伤、溅射、离子透射以及医学和生物学应用至关重要。

在考虑使用该工具研究辐照效应时，必须合理设计实验，以充分发掘该技术的优势。原位透射电镜（TEM）辐照技术为量化辐射环境中缺陷的动态演化过程提供了理想条件。尽管该技术能够揭示缺陷演化过程，包括位错环的层错/堆垛层错反应以及缺陷与晶界（GB）相互作用机制，但由于众所周知的薄膜效应，例如点缺陷及缺陷团簇向样品表面的流失，导致在将缺陷定量结果与宏观尺度辐照实验进行比较时存在显著的实验局限性19,20。

本文介绍了原位多束透射电子显微镜（TEM）实验中样品制备与安装的新考量因素和操作流程。同时阐述了实验设计的相关考虑，包括针对I³TEM设施的建模与几何结构方面的特殊要求，以及电子束对准和束流表征的实验方案。文中演示了如何利用SRIM计算特定深度离子注入所需的能量，并获得离子分布与损伤轮廓。尽管建模方法21,22及部分样品制备方法已有先前报道，但本文重点在于将这些信息应用于实验设计。此外，还展示了原位TEM实验的代表性结果，并描述了典型的数据分析方法。

方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

警告：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。此外，须完成相关培训，并针对可能存在的危害采取适当的预防措施，这些危害包括但不限于所用化学品、高压电、真空、低温液体、纳米颗粒、激光以及电离辐射。确保已获得所有设备使用的授权并完成相应培训。请严格遵守操作规程中规定的所有适当安全措施（如辐射监测装置、个人防护装备等）。

注意：本方案中提供的所有参数均适用于此处指明的仪器及型号。

1. 原位离子辐照透射电子显微镜实验设计

注意：存在许多可变参数，导致潜在的实验空间巨大。设计系统性的实验，以回答特定的科学问题，将获得最大的成功。首先，选择合适的离子种类和能量，以模拟待研究的体系。

  1. 离子种类选择
    注意：离子与材料的相互作用十分复杂，其细节已超出本文范围。已有若干出版物详细阐述了离子在固体中的相互作用23，或更具体地在金属中的相互作用24，以及在半导体中的相互作用25。空间辐射环境包含一系列不同能量和质量的离子，可通过轻离子和重离子有效模拟。核系统可通过重离子辐照与气体注入相结合的方式进行模拟。重离子辐照可模拟中子以及高能裂变或放射性衰变产物所引起的位移级联损伤。He 通常由核材料中的嬗变反应或放射性衰变产生。
    1. 根据化学性质、损伤类型以及与中子谱的匹配情况选择待注入元素。为尽量减少离子注入带来的化学效应，常采用自离子辐照，即选择与待研究材料相同的元素作为入射离子。或者，在掺杂研究中可选择特定离子进行注入。损伤类型由离子的动能决定，能量越高，产生的损伤越大。在固定能量下，可选择轻离子以产生弗伦克尔缺陷对，重离子用于产生损伤级联，最重的离子用于产生离子径迹26。
      1. 为模拟中子损伤，应选择一种离子，使其产生的初级撞出原子（PKA）位移与目标中子谱相匹配27。
        注意：并非所有元素都能形成适用于串列加速器的稳定负离子。有关 I³TEM 设施中成功运行的所有离子列表，请参见图1。关于加速器运行背景知识以及适用于6 MV串列加速器且具有稳定负离子的元素列表，请参阅Middleton的参考手册28。

元素周期表示意图，突出显示了迄今已运行的离子、电荷态及I³TEM中的能量范围（单位：MeV）。
图1：迄今已运行的离子（以蓝色标出）、电荷态及I³TEM中的能量范围（单位：MeV）。 请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 使用 SRIM 中的阻止与射程表进行离子能量选择
    注意：阻止与射程表提供了一种快速确定离子在材料中穿透深度的方法。阻止本领（dE/dx）描述了离子在固体中每单位行进距离（dx）所损失的能量（dE）。阻止本领包含两个组成部分：1）核阻止，即离子与靶原子发生弹性碰撞所损失的能量；2）电子阻止，即离子与靶原子电子相互作用所损失的能量。以下步骤描述了典型 SRIM 表的使用方法。
    1. 在 SRIM 软件中选择 Stopping / Range Tables（阻止/射程表）。
    2. 选择要注入的离子和靶材料。对于复合靶，可选择多种靶元素。
      注意：软件会提供一个计算密度，但通常非常不准确，应手动输入实际值。
    3. 选择 Calculate Table（计算表格），以查看离子能量与在材料中的投影射程、横向和纵向离散的对应关系表。
      注意：对于注入实验，峰值阻止射程应位于箔片厚度范围内。
    4. 通过多电荷态可实现高于 6 MV 的离子能量。离子能量 E 可近似由下式确定：
      能量近似方程，包含数学符号和变量。     方程 (1)
      其中 M1 为所选离子的质量，MT 为源中化合物的总质量（对于单元素源，MT = M1），q 为电荷态，VT 为终端电压，VS 为源电势。
      注意：电荷态也会影响束流强度，从而影响可实现的注量以及实验的辐照时间（见方程 2 和 3）。
  2. 使用 SRIM 选择离子注量与通量
    注意：使用 SRIM 验证步骤 1.2 中所用能量的穿透深度分布。根据相关文献确定目标离子浓度（剂量、注量）或损伤水平。损伤水平通常以 dpa（每个原子的位移数）表示，它并不反映最终缺陷数量，而是未考虑自由表面缺陷湮灭或复合情况下的平均位移次数。其他环境条件（如温度或机械载荷）也可能同时施加，这些因素可能影响损伤及微观结构演化机制，应予以考虑。以下是使用 SRIM 计算损伤或注量的方法描述。存在其他计算损伤的方法22，但此处描述的方法被广泛使用，且被认为更简单快捷。强烈建议遵循这些指南以适应相关辐射条件，并最重要的是记录和报告模拟参数，以便结果可重复。
    1. 在 SRIM 软件中选择要注入的离子和靶材料。对于复合靶，可选择多种靶元素。软件会提供一个计算密度，但通常非常不准确，应手动输入实际值。
    2. 选择 TRIM 计算类型：“Ion Distribution and Quick Calculation of Damage”（离子分布与损伤快速计算）和“Quick K-P”损伤模型。
      注意：“vacancy.txt”方法可快速近似损伤分布，足以用于规划大多数 I3TEM 实验。Stoller 等人21详细描述了如何使用 SRIM 实现快速 Kinchin-Pease 方程，以确定金属体系中每离子每面积的 dpa 值。关于使用“快速 K-P”与“完整级联”（Full Cascade）选项存在不同观点21,22，尤其是在含有不同阈值位移能元素的离子化合物中。作者建议研究每种方法，以根据具体样品类型和实验设计选择最适合在出版物中报告最终 dpa 值的计算方法。
    3. 将层厚度设置为与 TEM 样品厚度相同（10‒150 nm）。
      注意：软件会自动将深度划分为 100 个等尺寸区间，因此选择更大的厚度会导致区间划分精度降低。
    4. 设置离子入射角以匹配实验条件（通常为法线方向 60°）。
      注意：在 TEM 中，离子束几乎垂直于电子束，通常样品会向离子束方向倾斜 30°。实验配置示意图见第 3 和第 4 节。
    5. 从权威文献来源（如 ASTM E52129）选择阈值位移能。将晶格能和表面能设为零。
      注意：关于建模30和实验研究31的出版物提供了多种材料的阈值位移能数据。零晶格能和表面能适用于大多数情况，但在特殊情况下可能需要提供具体数值21。
    6. 运行模拟。
    7. 检查 VACANCY.txt 文件中作为深度函数的损伤事件，包括每个深度处由离子引起的空位（VACANCIES by IONS）和由反冲原子引起的空位（VACANCIES by RECOILS）。该文件可导入电子表格软件进行分析。
      注意：使用 vacancy.txt 文件可能并非计算损伤剂量的最准确方法，应视为一种快速近似21。
    8. 将单位从（displacements/ion-Å）转换为（displacements/ion·cm），然后使用实测离子注量确定 dpa，或根据目标 dpa 确定所需离子注量（见方程 2；注量测量方法见第 3.1.5 和 3.2.5 节）。若需计算损伤速率（dpa/s），则用通量（ions/cm2-s）替代注量。
      材料损伤速率的 dpa 方程；SRIM 方法；每原子离子位移数公式。    方程 (2)
    9. 计算达到目标注量所需的辐照时间。
      注意：以下是这些参数之间的关系，其中 e 为电子电荷，C 为库仑（方程 3）。某些实验的注量范围跨越多个数量级，因此在给定通量下需要相应的时间范围。对于高注量实验，希望采用最大通量以最小化实验时间24。由于闸阀和法拉第杯执行机构的速度限制，低注量实验需要较低通量，以便以足够精度实现秒级的辐照时间。高束流强度可能导致样品局部加热，从而改变扩散特性及观察到的微观结构演化。在使用高束流强度的实验中，应将样品冷却至室温，并在辐照过程中使用热电偶监测温度。
      辐照时间公式示意图；离子束实验；电荷态、束斑面积分析。    （方程 3）
  3. TEM 样品台选择
    注意：简单的离子辐照实验可在单倾样品台上进行。然而，根据材料体系和关注的性质，可能需要使用多种类型的样品台。可将多种极端环境组件与离子辐照同时结合使用，例如温度、气体或液体环境以及机械应力等条件。
    1. 考虑使用低温或加热样品台。温度在原子扩散过程中起重要作用。注入温度会影响损伤的类型和强度。可选择低温台或加热台以维持所需温度。使用通入冷水的加热台可维持室温。
      注意：高温实验中，样品应安装在钼网或其他热稳定性良好的载网上。
    2. 考虑使用双倾或断层扫描样品台。晶体取向可能非常重要，且对于获得有利于量化位错环或黑斑密度的双光束条件是必需的。此类情况可使用双倾或断层扫描样品台。这也适用于研究辐射诱导的相变。
    3. 考虑使用环境样品台，以在原位将材料暴露于气体或液体中。此类实验的样品制备方法各异，可能非常困难，超出本文范围32。
    4. 考虑使用专用于机械测试的样品台，包括拉伸、压缩、弯曲、疲劳和蠕变测试。
      注意：此类实验需要特定的样品制备方法，超出本文范围33,34,35,36。在确定了离子种类、离子能量和目标注量，并考虑了用于增加环境复杂性的特定样品台后，设计离子辐照实验的下一步是制备用于 TEM 的样品。必须仔细制备样品，以满足原位离子辐照 TEM 实验的几何约束。以下将介绍几种样品制备方法。

2. 超薄样品的制备及在透射电镜载网上的装载

注意：透射电子显微镜（TEM）样品的制备方法有多种。最适宜的方法取决于样品的初始几何形状、材料性质以及所关注的特征。有关制备方法的详尽列表和描述，请参阅透射电子显微镜样品制备手册37。以下是三种常用方法的描述。对于磁性材料，应采用粘结法，以防止薄膜或颗粒在TEM的磁场作用下脱落。应避免使用绝缘基底（例如氧化物），以尽量减少离子束诱导电荷引起的静电排斥。

  1. 纳米颗粒滴铸法
    注意：这是针对直径小于200 nm的纳米颗粒进行透射电子显微镜（TEM）样品制备的最简便方法。可使用多种不同的支撑材料，包括多孔碳膜、聚合物膜和氮化硅膜。由于配体相互作用的存在，这些材料与纳米颗粒之间的相互作用可能有所不同。应选择能够使纳米颗粒分散良好的基底材料。
    1. 将纳米颗粒分散到酒精、去离子水或其他溶剂中，直至充分混合。可使用超声处理以打破额外的团聚体。通过调节液体浓度可控制纳米颗粒在载网上的密度。
    2. 使用移液器将分散的颗粒滴加到载有支撑膜的透射电镜载网上表面。
      注意：确保网格的支撑面朝上，以便纳米颗粒附着在网格的上表面。可利用液滴干燥过程中产生的毛细效应，使纳米颗粒随液体蒸发而迁移。若液滴偏离中心，将导致中心辐照区域的纳米颗粒密度降低。
  2. 薄膜漂浮法
    注意：该方法需要一种薄的（<100 nm）薄膜沉积在可溶解基底（如盐或光刻胶）上。取少量样品进行解理，并将其放入溶剂中。随着基底在溶剂中溶解，薄膜从基底上分离并浮至溶液表面，可将其捞取至透射电镜（TEM）载网上。
    1. 在培养皿中配制 50 mL 溶剂溶液。
      注意：溶剂的选择取决于薄膜所用的基底。对于氯化钠（NaCl）基底，通常使用水作为溶剂。可在溶液中添加酒精以调节表面张力。酒精过多常导致样品下沉，而酒精过少则会增加表面张力，使薄膜难以转移至载网。
    2. 将底物切割成约 1.5 mm × 1.5 mm 的小片。
      注意：胶片边缘通常质量较差，应尽量避免使用。
    3. 使用镊子将基底（膜面朝上）以约30°的入射角插入溶液中（图2a）。重复回撤并缓慢插入，直至薄膜自由漂浮（图2b，c）。底物可暂时放置一旁。
    4. 将透射电镜载网插入溶液中，并移至膜下方。缓慢将载网上提至膜的下方，直至膜位于载网中央。迅速将载网从溶液中取出，膜即会附着于载网上图 2d).
      注意：如果胶片未居中，可将网格和胶片重新放入溶液中，使胶片再次漂浮并根据需要调整至居中位置。注意胶片可能发生自身折叠。

用于纳米制造工艺中可溶性基底和沉积阶段的薄膜转移示意图。
图 2：薄膜浮离。 示意图显示了（a）将沉积在可溶性基底上的薄膜片段插入溶剂溶液中，（b）通过溶解基底的粘附层使薄膜浮起的横截面视图，（c）薄膜依靠表面张力在溶液表面自由漂浮的横截面视图，以及（d）使用透射电镜（TEM）载网从溶液中提起薄膜的过程。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 聚焦离子束切割
    注意：大多数块体材料均可通过聚焦离子束（FIB）切割进行制备，有关此过程的详细信息可参见透射电子显微镜（TEM）样品制备手册37。与前述方法相比，FIB切割过程耗时较长且操作复杂，但相较于从块体样品制备TEM样品的传统手工抛光方法，其流程仍显著更短且更简便。此外，该方法具有对样品位置高度可控的优势，可精确选择待研究的特定区域，例如晶界或缺陷区域。然而，FIB制备的薄片会因离子束切割过程而产生残余的离子辐照损伤，这将干扰原位辐照所引入损伤的定量分析38。
    1. 制备提取样品。可采用多种提取策略制备特定位置、不同几何形状的TEM薄片。有关详细方法，请参考制备如下几何形状样品的相关文献：横截面39、平面观察40、裂纹尖端41、纳米柱42、原子探针针尖43等。
    2. 安装薄片。离位提取的样品可像薄膜一样放置于TEM载网上（图3a）。对于需焊接至载网的样品，应将薄片焊接在载网表面的柱状突起顶端，以避免遮挡效应（图3b）。避免将样品安装在V形柱上（图3b：左侧和右侧）。
    3. 对薄片进行最终抛光。标准FIB减薄会导致样品产生离子束损伤。可通过极小掠射角的冲洗式抛光以及低加速电压下的轻柔切割来最小化此类损伤。除传统的Ga+离子束最终减薄外，其他可选方法包括闪光电解抛光44,45和Ar+46离子束抛光。
  2. 电解抛光
    注意：对于从块体材料制备单相金属样品用于原位离子束辐照实验，电解抛光通常是首选方法。该方法可避免FIB切割和传统抛光技术所引起的损伤。然而，电解液成分、电势及抛光时间均与材料相关，这些参数可能较难确定。

筛分分析示意图；用于测量粒径分布的机械筛分装置。
图3：示意图显示将样品安装在TEM载网上表面以防止遮蔽。 带 lacey carbon 或薄膜的载网（a），半圆形载网与FIB切割提取样品焊接于尖端（b）。 请点击此处查看此图的放大版本。

3. 离子束条件与校准

  1. 串列加速器
    注意：串列加速器最适合用于产生能量范围为 800 keV – 100 MeV 的高能离子。通常使用铯溅射负离子源（SNICS）来产生高能金属离子束，其操作不在本文档的讨论范围内28。原位透射电子显微镜（TEM）实验的相关调整和注意事项如下所述。
    1. 利用导向磁铁、偏转磁铁和透镜在 TEM 内对离子束进行准直，以便能够原位观察辐照事件。通过使用相机观察离子束在石英尖端 TEM 样品杆上诱导产生的离子束致发光（IBIL），完成最终的离子束准直。
      1. 调节离子束，使其与电子束产生的阴极荧光重合，且电子束物镜的功率应与实验中所用设置一致。
    2. 在 TEM 前端上游插入法拉第杯以捕获离子束，并读取数据以测量束流。束流测量对于计算注量至关重要（公式 3）。
      1. 为提高束流测量的准确性，可插入配备法拉第台的 TEM 样品杆，在 TEM 的样品区域直接测量离子束电流。
      2. 若需实时监测电流，可使用束流剖面监测器（BPM）。开启 BPM 后，通过示波器读数进行电流测量。BPM 通过周期性斩断束流实现测量，这会导致束流的时间畸变，因此该方法仅能对束流电流进行定性评估。
        注意：离子束电流可能发生漂移，建议在整个实验过程中定期检查其稳定性。
    3. 使用烧蚀斑点测量束斑面积。烧蚀斑点也可用于验证步骤 3.1.1 中的准直效果。
      1. 将一片透明胶带贴在单倾 TEM 样品杆的平板尖端上，先后暴露于电子束和离子束下。取下胶带并置于白色背景上。
      2. 为确定面积，使用带有标尺的烧蚀斑点照片，并导入图像处理软件（如 ImageJ47）进行分析。结合束流强度，可通过束斑面积计算离子通量（公式 2）。
    4. 插入校准样品以观察束流损伤，该损伤在运动学明场成像条件下应表现为黑斑衬度。通常选择 Au 或 CuAu，因其易于形成明显的黑斑且样品制备简便48。
  2. Colutron 加速器
    注意：Colutron 加速器采用气体供给的热灯丝离子源49。可同时加速多种气体离子，但为使偏转磁铁、导向器和透镜对不同离子的作用一致，两种离子的质量电荷比必须相等；例如 4He2+ 和 2D1+。
    1. 按照第 1.2 节所述进行 SRIM 计算，以获得所需的气体注入能量。
      注意：所需偏转磁铁强度取决于离子质量、电荷态以及加速电压。若气体元素含有多种同位素，选择丰度最高的同位素可获得最大束流。还需注意，若串列加速器正在运行，该偏转磁铁也会对其束流产生作用；因此在 Colutron 束流准直完成后，还需对串列束流进行额外校正。
    2. 调节离子束，使其与电子束重合，具体操作如步骤 3.1.1 所述。
    3. 按照步骤 3.1.2 所述测量束流。
    4. 使用烧蚀斑点估算束斑面积，方法如步骤 3.1.3 所述。
      注意：此步骤可与串列加速器的离子束测量同时进行。然而，若 Colutron 加速器的束流远高于串列加速器的束流（> 三个数量级），则前者信号将掩盖后者，此时应分别进行测量。
    5. 按照步骤 3.1.4 所述，进行最终调节，将离子束引导至 TEM 样品上。

4. 透射电镜加载与成像条件

双束系统示意图；离子束对准；旋转相互作用；实验区域布局。
图 4：透射电子显微镜（TEM）样品装载与成像条件。 TEM样品台的俯视图，电子束方向垂直进入页面，样品台分别向正X方向（a）和负X方向（c）倾斜30°。沿样品台轴线的横截面视图，突出显示电子束（绿色）和离子束（蓝色），样品台分别向正X方向（b）和负X方向（d）倾斜30°，实现离子束从底部照射。高亮区域表示电子束与离子束均未被遮挡的区域。请点击此处查看此图的放大版本。

  1. 样品装载与几何相关问题
    1. 将载网装入样品台，使样品面朝上，并调整载网方向，以避免在向离子束方向倾斜时产生遮挡效应（图4a,c）。
      注意：图4b,d 示意了辐照配置下离子束和电子束的路径，其中高亮显示了有效的实验区域。
    2. 使用光学显微镜检查是否存在遮挡效应。如图4a,b所示，将样品台向正X方向倾斜30°，此时俯视方向将与电子束平行；再将样品台向负X方向倾斜60°，此时俯视方向将与离子束平行。若在两种取向下均无法观察到样品的兴趣区域，则存在遮挡问题，需重新调整样品位置。
      注意：对于某些样品台，其底面遮挡问题较少，因此将样品台向负30°方向倾斜，使离子束照射样品底面可能是最优选择（图4d）。
    3. 按照特定样品台制造商的指导说明，将样品安装至透射电子显微镜（TEM）样品杆上。将样品杆装入TEM，启动抽真空循环。待真空稳定后，插入样品杆。
      注意：在TEM中装卸样品杆时，应关闭通往束线的阀门，以防止装载过程中引起的真空骤降影响束线系统。
    4. 在TEM控制软件中，加载当前加速电压下最新的校准文件。手动优化聚光镜与光阑、电子枪倾斜与偏移以及物镜的对中。
    5. 在样品上找到感兴趣的区域，并根据Jenkins和Kirk50所述方法调整成像条件，以适应将要进行的分析类型。使用明场运动学条件对损伤事件进行成像。
      注意：对于高原子序数（Z）材料（如钨），可启用额外的聚光镜以提高亮度。
      注意：高能电子可能引起低Z材料的原子位移，导致电子束产生反冲损伤，从而与离子引起的损伤相互混淆51。采用低剂量电子束、限制对样品的照射时间以及使用低停留时间的扫描透射电子显微镜（STEM）模式有助于减轻此类影响。
    6. 将样品杆向离子束方向倾斜至最大安全角度（大多数样品杆为30°），最高可达81°。
    7. 根据所选TEM样品杆的制造商推荐程序，施加任何额外的刺激因素，如加热、冷却、环境控制、机械加载等。
      注意：在进行高倍率观察时，应留出足够时间使样品台稳定，以避免显著的漂移。施加的刺激因素也可能导致样品发生形变。
    8. 打开TEM离子束阀门，并移除法拉第杯，使实验样品暴露于离子辐照下。通过插入法拉第杯并关闭束线阀门来暂停辐照。在关闭TEM阀门之前应先插入法拉第杯，以防止阀门受损。
      注意：应监测TEM中的电子枪压力，确保其不超过制造商规定的安全操作阈值。若样品或样品台在离子束辐照期间产生显著的放气现象，可能需要暂停辐照，以便真空恢复。
    9. 记录图像或视频，以记录微观结构的演化过程。
  2. 其他成像模式
    1. 为绘制晶粒相对取向图，可采用自动晶体取向映射（ACOM）技术，该技术可识别尺寸低至10 nm的所有晶粒的晶体学取向。软件系统通过摆动电子束自动采集衍射图样并进行标定，从而生成取向图52。
    2. 对于超快事件，可使用高速偏转器。它是一种磁透镜，能够以高速将投影电子偏转至相机的不同象限，从而将帧时间有效缩短一个数量级。该技术可用于在单帧内捕捉微秒时间尺度发生的事件53。
    3. 通过采集样品的倾斜系列图像，并随后使用软件进行重构，实现电子断层扫描。该方法可揭示样品的三维结构，用于分析体积分布特征54。
    4. 通过采集离焦系列图像进行电子全息测量。该测量可用于区分空洞、气泡和纳米颗粒55。
    5. 使用弱束暗场成像观察离子束引起的位错和损伤。对单晶样品采用双束条件，可测量位错的特征与密度50。

结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

已对多种材料体系和不同样品制备方法开展了原位离子辐照透射电子显微镜（TEM）实验14,32,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70, 71,72,73,74,75。以下列举若干代表性体系，以展示其多样性。样品制备方法包括纳米颗粒滴铸法、薄膜漂浮法、在半月形载网上的横截面聚焦离子束（FIB）提拉法、推拉式金属箔以及纳米柱制备法。

此处展示了一项关于单个离子轰击对金纳米颗粒（NPs）影响的实验60。通过利用液滴干燥过程中毛细力带动纳米颗粒移动的特性，可控制辐照窗口内颗粒的数密度。通过偏离中心滴加液滴，液滴在干燥过程中会将纳米颗粒拉向圆盘边缘。通过比较事件发生前后的图像，可突出显示损伤的主导机制（图5）。测量结果揭示了单个自离子辐照诱导损伤的多种机制，包括表面坑穴形成、溅射、丝状结构生成以及颗粒碎裂，且损伤类型取决于离子能量。在较低离子能量下观察到丝状结构的形成，而在高离子能量下则观察到坑穴形成、溅射和颗粒碎裂。这些不同的能量区域可用于研究电子阻止力与核阻止力的作用效应。

在20 nm和5 nm尺度下，显示时间分辨融合序列的纳米颗粒聚结透射电镜图像。
图5：单个46 keV离子对尺寸递减的纳米颗粒（NPs）的影响。请注意，所有显微照片的放大倍数相近。每对显微照片之间相隔1帧，此处约为0.25秒。（a–c）单个离子轰击60 nm的纳米颗粒，在表面形成一个凹坑，由白色箭头标示。（c）为差分图像，突出显示（a）与（b）之间的变化；仅存在于（a）中的特征呈暗色，而仅在（b）中新形成的特征呈亮色。（d–f）单个离子在20 nm纳米颗粒中形成凹坑。（f）为（d）与（e）的差分图像。本图已获剑桥大学出版社许可修改60。请点击此处查看此图的放大版本。

采用脉冲激光沉积法在NaCl基底上制备了金的纳米晶薄膜，用于原位多束透射电子显微镜（TEM）实验。随后将样品漂浮转移至去离子水中，并捞取到Mo的TEM载网上。样品在真空炉中于300 °C退火12小时，以弛豫沉积态的亚稳态纳米晶结构，最终获得具有超细晶粒尺寸的多晶金。

本研究中，使用2.8 MeV的Au4+离子来模拟中子辐照。该能量是根据SRIM模拟确定的，以使损伤峰值位于薄膜厚度范围内（图6a）。同时施加10 keV的He+离子以模拟中子辐照引发的核反应所产生的α粒子。选择该He离子能量，以确保离子被植入箔材厚度内，而非穿透过去（图6b）。

He/D 和 Au 浓度深度分布；离子辐照研究中位移随深度变化的图。
图 6：SRIM 模拟结果。 SRIM 计算得到的（a）位移和（b）浓度随深度的分布，用于不同离子种类辐照 Au 的情况。总 dpa 分布（D + He + Au）在（a）中以紫色星号表示。拟合线仅为视觉引导。本图已获 MDPI 许可修改自文献17。请点击此处查看此图的放大版本。

随后用金离子辐照该材料，并观察了损伤随注量的变化情况。微观结构中出现了由高能离子诱导产生的缺陷（图7）。随着暴露时间的增加，即注量的提高，损伤程度呈线性增加。在高剂量条件下，损伤位点的浓度过高，难以准确量化。

高/低通量下离子辐照对材料微观结构的影响，SEM图像及损伤图
图7：透射电子显微镜（TEM）图像显示损伤点。 原位2.8 MeV Au4+离子辐照金箔的TEM图像，辐照剂量率分别为9.69 × 1010（a–c）和9.38 × 108 ions/cm2·s（e–g），累积注量分别为4.85 × 108、1.45 × 1012 和 3.39 × 1012 ions/cm2。（d,h）显示损伤点数量随时间呈线性增加。所有TEM图像均在相同放大倍数下拍摄。本图经MDPI许可修改自文献17。 请点击此处查看此图的放大版本。

为了研究多束离子同时与材料相互作用的影响，对金样品进行了双束和三束离子辐照（图8）。测量了空腔的形核、生长及演化过程。

时间推移显微镜，纳米尺度变化；示意图（50 nm，20 nm）；时间序列分析，颗粒观察。
图8：原位透射电子显微镜图像显示空洞的生长。 原位透射电子显微镜图像显示由于（a–d）双离子辐照（5 keV D + 1.7 MeV Au）引起的空洞随时间生长，以及由于（e–h）三离子辐照（10 keV He、5 keV D 和 2.8 MeV Au）引起的空洞形成与塌陷随时间的变化。虚线圆圈在每幅图像中突出显示所关注的空洞区域。本图经MDPI许可修改使用17。 请点击此处查看此图的放大版本。

为了研究锆（Zr）在辐照条件下产生的蠕变行为，采用溅射沉积法在绝缘体上硅晶圆上制备锆薄膜，并结合光刻图形化和深反应离子刻蚀工艺，加工出一种微机电系统（MEMS）装置。图9展示了自支撑的锆样品以及实现原位拉伸测试的硅基推转-拉伸测试框架。实验中使用1.4 MeV的Zr离子在加载条件下对样品进行辐照，以测定锆材料的辐照蠕变响应。通过在透射电子显微镜（TEM）中开展实验，可实时观察纳米尺度下的动态机制。测量结果揭示了样品织构的变化以及样品长度的增加。由于样品为薄箔几何结构、实验在室温条件下进行且辐照损伤程度较低，因此未预期出现明显的体积肿胀。这一推断也得到了实验结果的证实——未观察到气泡和空洞的形成。

显微结构分析；扫描电子显微镜；蠕变试样示意图；材料研究。
图9：原位力学测试。（a）推拉式装置的扫描电子显微镜图像，其中锆拉伸试样的位置已标出。（b）来自（a）中装置的低倍透射电子显微镜图像。（c）测试区域纳米晶锆显微结构的高倍明场透射电子显微镜图像。本图经Springer Nature许可修改使用75。请点击此处查看此图的放大版本。

在原位离子辐照透射电镜实验中，可同时施加额外的力学应力状态。图10 展示了关于高温辐照诱导银纳米柱蠕变的研究工作67。该实验利用压电纳米压痕仪对透射电镜样品施加可控应力。纳米柱样品通过聚焦离子束（FIB）加工，由生长在硅基底上的1 μm厚银膜制备而成。样品使用3 MeV的Ag³+离子进行辐照，并利用1064 nm激光束对样品加热，激光束与离子束和电子束共线照射。研究结果表明，辐照与高温共同作用下的蠕变速率比室温辐照和高温热蠕变快数个数量级。

蠕变速率与柱状结构直径关系图及在75 MPa和125 MPa条件下的透射电镜（TEM）应变分析图像。
图10：辐射诱导蠕变。在75 MPa和125 MPa载荷应力下，辐射诱导蠕变速率随柱状结构直径的变化关系（左）；原位透射电镜（TEM）观测银纳米柱在3 MeV银离子辐照下发生辐射诱导蠕变的视频关键帧（右）。本图经Elsevier许可修改自文献67。 请点击此处查看此图的高清版本。

Hosemann 等人已深入描述了用于浅层离子辐照的纳米柱制备注意事项76。其中一个关键考虑因素是纳米柱的形状。在如此微小的尺度下，任何偏离理想几何形状的情况都可能对力学性能产生显著影响。由于环形铣削几何结构会导致尖端锥度化，因此矩形棱柱尖端远优于圆柱形尖端。

这些代表性结果展示了原位离子辐照透射电子显微镜技术可实现的多种材料体系、制备方法以及复杂环境。在每种情况下，精细的样品制备和实验参数的周密规划对于获取有意义的数据至关重要。下文将进一步讨论这些方面的详细内容。

讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文所述操作步骤专属于 I3桑迪亚国家实验室设有透射电子显微镜（TEM）设施，但该通用方法也可应用于其他原位离子辐照透射电镜设施。存在一个名为“原位辐照透射电镜研讨会”（Workshop On TEM With In situ Irradiation, WOTWISI）的机构组织，定期举办双年度会议，讨论离子加速器与电子显微镜相关议题。日本拥有多处此类设施，包括日本原子能研究机构（Japan Atomic Energy Research Institute, JAERI）的设施。8，以及日本物质材料研究机构（National Institute for Materials Science，NIMS）9另一家具备原位离子辐照能力的设施是位于哈德斯菲尔德大学的材料研究用显微镜与离子加速器设施（Microscope and Ion Accelerator for Materials Investigations, MIAMI）。77CSNSM-JANNUS 奥赛设施78 配备 FEI Tecnai G2 200 kV 下工作的 20 TEM，配备 IRMA 离子注入器。阿贡国家实验室的 IVEM-Tandem 设施是一个核科学用户设施10这些设施以不同的方式集成离子加速器，导致离子束与电子束的交角各不相同。一些日本的设施将离子束以30–45°的角度引入电子束，ANL和MAIMI similarly在30°，JANNUS在68°，而I³TEM和武汉大学的装置中离子束与电子束垂直。

根据样品的材料种类及其初始形态，可采用多种技术制备透射电子显微镜（TEM）试样。试样必须足够薄（通常小于约100 nm），才能在TEM中成像。有关试样制备的多种方法，可参考TEM样品制备方法学手册37。其中操作最为简便的是纳米颗粒，可直接通过滴涂法进行制样。沉积在可溶性基底上的薄膜也较易制备（图2）。块体金属材料可通过先机械抛光至较薄，再使用喷射电解抛光法穿孔，使孔周围区域变薄至适合TEM观察的厚度。聚焦离子束（FIB）提取法是一种广泛用于多种材料TEM制样的成熟方法，此前已有详尽描述39,79,80。该技术的主要优势之一是能够选择性地观察特定区域，如晶界和相界。另一优势在于可制备多种试样几何形状，包括：薄箔、纳米拉伸试样、纳米柱以及原子探针针尖，适用于附加应力环境或关联分析研究。然而，在原位离子辐照实验中，FIB制备试样的主要缺点是FIB过程本身引入的损伤会与实验过程中积累的损伤相互叠加，从而难以进行定量分析。生物样品或聚合物样品可通过低温FIB（cryo-FIB）或低温超薄切片（cryo-microtomy）方法制备，但这些过程在本文中不作详细说明。

在规划离子束注入或辐照实验时，必须考虑离子的若干重要参数。在研究辐射效应时，通常需要控制穿透深度、通量/注量以及辐射损伤等变量。这些参数可通过多种模拟技术进行建模。材料中离子的停止与射程（Stopping Range of Ions in Materials，SRIM）是一种蒙特卡洛模拟程序，用于计算材料在受到高能离子束照射时的离子沉积分布21,81。SRIM 的一种替代方法是 Robinson 模型82，该模型采用多种函数来模拟高能离子与材料相互作用中的不同物理过程。另一种替代方案是为航空航天应用中的单粒子效应开发的模型，该模型可被调整用于离子束实验83。SRIM 使用 Kinchin-Pease84 方程来模拟辐射引起的原子位移。该软件易于使用，可快速计算多种离子、靶元素和离子能量条件下的结果，并提供多种有用的输出形式。然而，该软件在可选模型方面存在局限性，且由于其为蒙特卡洛程序，需进行大量迭代，模拟规模越大，运行所需时间越长。Robinson 模型采用了一种改进的 Kinchin-Pease 方程84，其与实验结果的一致性更高，但使用难度较大。由于 SRIM 被广泛采用且操作简便，本文采用了 SRIM 的使用方法，该方法也已普遍成为工业标准。

在考虑多束流原位透射电子显微镜（TEM）时，一个主要限制因素是样品的几何形状。由于TEM是一种投影成像技术，且离子束呈线性，电子束或离子束可能被遮挡，从而影响实验结果。样品台、样品支架甚至样品本身的其他部分都可能产生电子束和离子束的阴影。为避免样品台对样品造成遮挡，大多数样品台的倾斜角度限制在25°至40°之间。此外，还需特别考虑样品自身可能产生自遮挡，或被TEM载网遮挡的几何情况。因此，在安装样品时，应谨慎操作，尽量降低遮挡的可能性。对于采用聚焦离子束（FIB）将样品安装在柱状载网上的情况，这意味着应将样品固定在柱体最外端和最高点的位置。

对于涉及多种离子同时辐照的实验，存在一定的局限性。由于不同种类的离子由不同的加速器或离子源产生，因此必须通过磁体将第二束离子束偏转至第一束的路径上。对于所述仪器，该偏转角度约为20°。为实现两束离子束共线，偏转过程要求束流刚度具有较高的比值。束流刚度（Bρ）定义为总动量与总电荷之比，可通过以下公式计算：

电子感应加速器磁刚度公式；粒子物理学中动量与电荷关系的方程。      方程 (4)

其中，p 为动量，q 为电荷，β 为粒子偏转速度比例系数（β = ν/c），m0 为离子的静止质量，c 为光速，γ 为相对论洛伦兹因子：

洛伦兹因子公式 γ=1/√(1-β²)；物理学公式；狭义相对论概念。     公式 (5)

这意味着在多束实验中，最好分别使用高能重离子和低能轻离子，例如 Au 和 He。如果同一加速器产生多束离子，则这些离子必须具有相同的质荷比，例如 4He+ 和 2D2+。成像条件也可能影响离子束。在高倍成像模式下，物镜的磁场可能强到足以使离子路径发生偏转。在调节离子束时，应始终考虑所需的分析类型。

透射电子显微镜（TEM）中的衬度可能来源于厚度、相位、晶体有序性以及化学成分的差异。根据待观察的特征，应考虑多种不同类型的衬度和成像条件。理解衍射衬度和相位衬度背后的机制非常有用。掌握如何调节电子显微镜以实现双光束动力学、明场运动学以及弱束暗场成像条件也同样重要。这些内容在 Jenkins 和 Kirk（2000）中有详细描述50。

为了分析位错，必须对不同角度的多个衍射花样进行标定，以确定倒易空间晶格矢量（g）。随后可利用双束成像条件确定位错的柏氏矢量（b）。在弱束暗场成像中，位错能够以更高的分辨率和对比度被观察到。当位错密度较高或存在大量不全位错时，通常采用该方法。为了计算体积分位错密度，必须精确测量感兴趣区域中样品薄区的厚度。这可以通过电子能量损失谱或会聚束电子衍射等技术实现。对于小角度晶界，可在双束动力学条件下将晶界中的位错识别为网络结构。对于大角度晶界，一个晶粒在双束动力学条件下成像，另一个晶粒则在运动学衍射条件下成像。孪晶界可采用类似方法进行表征。利用菲涅尔成像条件可观察充气气泡和孔洞。在图像略微离焦且处于运动学衍射条件下时，小空腔更易被观察到。采用欠焦条件可测定其真实直径。气泡还可能引起应变场，在气泡较小时可对其应变值进行估算。自动晶体取向映射（ACOM）可用于绘制多个晶粒及其取向分布，类似于扫描电子显微镜（SEM）中的电子背散射衍射（EBSD）技术。为避免重叠衍射花样的干扰，最好使晶体贯穿整个样品厚度。

可以使用其他外部应力因素（如温度和机械应力）进行实验。样品制备和实验设计方面的考虑与多束流实验基本相同。需注意确保加热方法和温度范围适用于相应材料。还必须考虑样品几何形状，以避免遮蔽效应。用于加热或机械测试的特殊样品台具有特定的几何限制，必须查阅其技术规格14。这些应力因素的组合应用也是可行的。原位机械测试需要额外的样品制备，以达到合适的几何构型。已有专门的样品台可用于在不同加载条件下测试材料的力学性能，例如：拉伸、压缩、弯曲、疲劳和蠕变。原位加热既可在辐照过程中进行，也可在辐照后用于退火研究。基于MEMS或导电加热的样品台可用于控制最高达1000 °C的温度。若使用原位激光加热，可使样品温度达到数千摄氏度33。通过原位样品台，还可使样品处于不同的环境条件下，包括各种气体、液体，甚至腐蚀性环境。

总之，原位多束透射电子显微镜实验能够模拟极端环境，并在纳米尺度上实时观察材料的微观结构及其演化过程。通过这些实验获得的关于动态过程基本机制的深入认识，有助于建立预测模型，为下一代材料的设计提供指导。按照所述方法制备样品至关重要，以确保实验成功几率最大化。

披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者谨此感谢 Daniel Bufford、Samuel Briggs、Claire Chisolm、Anthony Monterrosa、Brittany Muntifering、Patrick Price、Daniel Buller、Barney Doyle、Jennifer Schuler 和 Mackenzie Steckbeck 在技术和科学方面的贡献。Christopher M. Barr 和 Khalid Hattar 的工作得到了美国能源部科学办公室基础能源科学项目的全额支持。本研究部分工作在美国能源部（DOE）科学办公室下属的科学用户设施——集成纳米技术中心完成。桑迪亚国家实验室是一家由国家技术与工程 & Engineering Solutions of Sandia, LLC（霍尼韦尔国际公司全资子公司），根据合同号DE-NA-0003525为美国能源部国家核安全管理局提供服务。本文所表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的观点。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Colutron 加速器Colutron Research CorporationG-110 kV 离子加速器
带 4 个支杆的 Cu Omniprobe 取出网格Ted PellaDM71302带 4 个支杆的 Cu Omniprobe 取出网格
双倾冷冻透射电镜样品台GatanDT636低温冷却双倾透射电镜样品杆
双倾加热透射电镜样品台GatanDT652配备电阻加热器的双倾透射电镜样品杆
I3TEMJEOLJEM-2100用于原位离子辐照的改装透射电子显微镜
异丙醇Fisher ScientificA459-470 % v/v 异丙醇
带 4 个支杆的 Mo Omniprobe 取出网格Ted PellaDM810113带 4 个支杆的 Mo Omniprobe 取出网格
培养皿Fisher ScientificCorning 316060直径 60 mm，高度 15 mm 的培养皿
Picoindenter 透射电镜样品台Bruker HysitronPI95Picoindenter 透射电镜样品台
Scios 2Thermofisher ScientificSCIOS2双束聚焦离子束扫描电子显微镜
串列加速器High Voltage Engineering Corporation6 MV 范德格拉夫-佩莱特龙离子加速器
断层扫描透射电镜样品杆Hummingbird用于断层扫描测量的透射电镜样品杆
镊子PELCO5373-NM反向作用自闭式精细尖头镊子

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Butler, E. In situ experiments in the transmission electron microscope. Reports on Progress in Physics. 42, 833(1979).
  2. Odette, G. R., Wirth, B. D., Bacon, D. J., Ghoniem, N. M. Multiscale-Multiphysics Modeling of Radiation-Damaged Materials: Embrittlement of Pressure-Vessel Steels. MRS Bulletin. 26, 176-181 (2001).
  3. Wirth, B. D. How does radiation damage materials. Science. 318, 923-924 (2007).
  4. Butler, E. P., Hale, K. F. Dynamic experiments in the electron microscope. , North-Holland Pub. Co. (1981).
  5. Jungjohann, K., Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy. Carter, C. B., Williams, D. B. , Springer International Publishing. Ch. 2 (2016).
  6. Pashley, D., Presland, A. Ion damage to metal films inside an electron microscope. Philosophical Magazine. 6, 1003-1012 (1961).
  7. Whitmell, D., Kennedy, W., Mazey, D., Nelson, R. A heavy-ion accelerator-electron microscope link for the direct observation of ion irradiation effects. Radiation Effects and Defects in Solids. 22, 163-168 (1974).
  8. Hojou, K., et al. In situ EELS and TEM observation of silicon carbide irradiated with helium ions at low temperature and successively annealed. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 116, 382-388 (1996).
  9. Furuya, K., Song, M., Saito, T. In-situ, analytical, high-voltage and high-resolution transmission electron microscopy of Xe ion implantation into Al. Microscopy. 48, 511-518 (1999).
  10. Allen, C. W., Ryan, E. A. In situ ion beam research in Argonne's intermediate voltage electron microscope. MRS Online Proceedings Library Archive. 439, (1996).
  11. Greaves, G., et al. New Microscope and Ion Accelerators for Materials Investigations (MIAMI-2) system at the University of Huddersfield. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 931, 37-43 (2019).
  12. Gentils, A., Cabet, C. Investigating radiation damage in nuclear energy materials using JANNuS multiple ion beams. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 447, 107-112 (2019).
  13. Guo, L., et al. Establishment of in situ TEM-implanter/accelerator interface facility at Wuhan University. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 586, 143-147 (2008).
  14. Hattar, K., Bufford, D. C., Buller, D. L. Concurrent in situ ion irradiation transmission electron microscope. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 338, 56-65 (2014).
  15. Hinks, J. A review of transmission electron microscopes with in situ ion irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 267, 3652-3662 (2009).
  16. Was, G., et al. Emulation of reactor irradiation damage using ion beams. Scripta Materialia. 88, 33-36 (2014).
  17. Taylor, C. A., et al. In situ TEM Multi-Beam Ion Irradiation as a Technique for Elucidating Synergistic Radiation Effects. Materials. 10, 1148(2017).
  18. Ziegler, J. F., Ziegler, M. D., Biersack, J. P. SRIM-The stopping and range of ions in matter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 268, 1818-1823 (2010).
  19. Li, M., Kirk, M., Baldo, P., Xu, D., Wirth, B. Study of defect evolution by TEM with in situ ion irradiation and coordinated modeling. Philosophical Magazine. 92, 2048-2078 (2012).
  20. Ulmer, C. J., Motta, A. T. Characterization of faulted dislocation loops and cavities in ion irradiated alloy 800H. Journal of Nuclear Materials. 498, 458-467 (2018).
  21. Stoller, R. E., et al. On the use of SRIM for computing radiation damage exposure. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 310, 75-80 (2013).
  22. Weber, W. J., Zhang, Y. Predicting damage production in monoatomic and multi-elemental targets using stopping and range of ions in matter code: Challenges and recommendations. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 23, 100757(2019).
  23. Wesch, W., Wendler, E. Ion Beam Modification of Solids. 61, Springer. (2016).
  24. Was, G. S. Fundamentals of radiation materials science: metals and alloys. , Springer. (2016).
  25. Crowder, B. Ion implantation in semiconductors and other materials. , Springer Science & Business Media. (2013).
  26. Merkle, K., Averback, R. S., Benedek, R. Energy Dependence of Defect Production in Displacement Cascades in Silver. Physical Review Letters. 38, 424(1977).
  27. Averback, R. S., Benedek, R., Merkle, K. Correlations between ion and neutron irradiations: Defect production and stage I recovery. Journal of Nuclear Materials. 75, 162-166 (1978).
  28. Middleton, R. A negative ion cookbook. , University of Pennsylvania. unpublished (1989).
  29. ASTM International. ASTM E521, Standard Practice for Netron Radiation Damage Simulation by Charged-Particle Irradiation. 12.02, ASTM International. (2009).
  30. Smith, R. Atomic and ion collisions in solids and at surfaces: theory, simulation and applications. , Cambridge University Press. (2005).
  31. Averback, R. S., Diaz De La Rubia, T. Displacement damage in irradiated metals and semiconductors. Solid state physics. 51, New York. 281(1997).
  32. Taylor, C. A., et al. Investigating Helium Bubble Nucleation and Growth through Simultaneous In-Situ Cryogenic, Ion Implantation, and Environmental Transmission Electron Microscopy. Materials. 12, 2618(2019).
  33. Grosso, R., et al. In situ Transmission Electron Microscopy for Ultrahigh Temperature Mechanical Testing of ZrO2. Nano Letters. , (2020).
  34. Barr, C. M., et al. Application of In-situ TEM Nanoscale Quantitative Mechanical Testing to Elastomers. Microscopy and Microanalysis. 25, 1524-1525 (2019).
  35. Wang, B., Haque, M. A., Tomar, V., Hattar, K. Self-ion irradiation effects on mechanical properties of nanocrystalline zirconium films. MRS Communications. 7, 595-600 (2017).
  36. Sun, C., et al. Microstructure, chemistry and mechanical properties of Ni-based superalloy Rene N4 under irradiation at room temperature. Acta Materialia. 95, 357-365 (2015).
  37. Ayache, J., Beaunier, L., Boumendil, J., Ehret, G., Laub, D. Sample preparation handbook for transmission electron microscopy: techniques. 2, Springer Science & Business Media. (2010).
  38. Aitkaliyeva, A., Madden, J. W., Miller, B. D., Cole, J. I., Gan, J. Comparison of preparation techniques for nuclear materials for transmission electron microscopy (TEM). Journal of Nuclear Materials. 459, 241-246 (2015).
  39. Heaney, P. J., Vicenzi, E. P., Giannuzzi, L. A., Livi, K. J. Focused ion beam milling: A method of site-specific sample extraction for microanalysis of Earth and planetary materials. American Mineralogist. 86, 1094-1099 (2001).
  40. Li, C., Habler, G., Baldwin, L. C., Abart, R. An improved FIB sample preparation technique for site-specific plan-view specimens: A new cutting geometry. Ultramicroscopy. 184, 310-317 (2018).
  41. Huang, Y., Lozano-Perez, S., Langford, R., Titchmarsh, J., Jenkins, M. Preparation of transmission electron microscopy cross-section specimens of crack tips using focused ion beam milling. Journal of microscopy. 207, 129-136 (2002).
  42. Kuzmin, O. V., Pei, Y. T., De Hosson, J. T. Nanopillar fabrication with focused ion beam cutting. Microscopy and Microanalysis. 20, 1581-1584 (2014).
  43. Miller, M. K., Russell, K. F. Atom probe specimen preparation with a dual beam SEM/FIB miller. Ultramicroscopy. 107, 761-766 (2007).
  44. Horváth, B., Schäublin, R., Dai, Y. Flash electropolishing of TEM lamellas of irradiated tungsten. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 449, 29-34 (2019).
  45. Yang, T. N. The Effect of Principal Elements on Defect Evolution in Single-Phase Solid Solution Ni Alloys. , (2018).
  46. Huang, Z. Combining Ar ion milling with FIB lift-out techniques to prepare high quality site-specific TEM samples. Journal of Microscopy. 215, 219-223 (2004).
  47. Abràmoff, M. D., Magalhães, P. J., Ram, S. J. Image processing with ImageJ. Biophotonics international. 11, 36-42 (2004).
  48. English, C., Jenkins, M., Kirk, M. Characterisation of displacement cascade in Cu3Au produced by fusion-neutron Irradiation. Journal of Nuclear Materials. 104, 1337-1341 (1981).
  49. Wåhlin, L. The colutron, a zero deflection isotope separator. Nuclear Instruments and Methods. 27, 55-60 (1964).
  50. Jenkins, M. L., Kirk, M. A. Characterisation of Radiation Damage by Transmission Electron Microscopy. 1st edn. , CRC Press. (2000).
  51. Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission electron microscopy. , Springer. 3-17 (1996).
  52. Rauch, E., et al. Automatic crystal orientation and phase mapping in TEM by precession diffraction. Microscopy and Analysis-UK. 128, 5-8 (2008).
  53. Reed, B., et al. Initiation of Grain Growth Observed Using Electrostatic-Subframing. Microscopy and Microanalysis. 25, 1518-1519 (2019).
  54. Hoppe, S. M., et al. Penetrating Radiation Systems and Applications XIII. , International Society for Optics and Photonics. 85090 (2012).
  55. Midgley, P. A., Dunin-Borkowski, R. E. Electron tomography and holography in materials science. Nature Materials. 8, 271(2009).
  56. Aguiar, J. A., et al. In-situ Ion Irradiation and Recrystallization in Highly Structured Materials. Microscopy and Microanalysis. 25, 1572-1573 (2019).
  57. Briot, N. J., Kosmidou, M., Dingreville, R., Hattar, K., Balk, T. J. In situ TEM investigation of self-ion irradiation of nanoporous gold. Journal of materials science. 54, 7271-7287 (2019).
  58. Bufford, D., Abdeljawad, F., Foiles, S., Hattar, K. Unraveling irradiation induced grain growth with in situ transmission electron microscopy and coordinated modeling. Applied Physics Letters. 107, 191901(2015).
  59. Bufford, D., Dingreville, R., Hattar, K. In situ Observation of Single Ion Damage in Electronic Materials. Microscopy and Microanalysis. 21, 1013-1014 (2015).
  60. Bufford, D. C., Hattar, K. Physical response of gold nanoparticles to single self-ion bombardment. Journal of Materials Research. 29, 2387-2397 (2014).
  61. Bufford, D. C., Snow, C. S., Hattar, K. Cavity Formation in Molybdenum Studied In situ in TEM. Fusion Science and Technology. 71, 268-274 (2017).
  62. Chen, Y., et al. In situ study of heavy ion irradiation response of immiscible Cu/Fe multilayers. Journal of Nuclear Materials. 475, 274-279 (2016).
  63. Cowen, B. J., El-Genk, M. S., Hattar, K., Briggs, S. A. A study of irradiation effects in TiO2 using molecular dynamics simulation and complementary in situ transmission electron microscopy. Journal of Applied Physics. 124, 095901(2018).
  64. Dillon, S. J., et al. Irradiation-induced creep in metallic nanolaminates characterized by In situ TEM pillar nanocompression. Journal of Nuclear Materials. 490, 59-65 (2017).
  65. El-Atwani, O., et al. In-situ TEM/heavy ion irradiation on ultrafine-and nanocrystalline-grained tungsten: Effect of 3 MeV Si, Cu and W ions. Materials Characterization. 99, 68-76 (2015).
  66. Jawaharram, G. S., Barr, C., Price, P., Hattar, K., Dillon, S. J. In situ TEM Measurements of Ion Irradiation Induced Creep. Microscopy and Microanalysis. 25, 1566-1567 (2019).
  67. Jawaharram, G. S., et al. High temperature irradiation induced creep in Ag nanopillars measured via in situ transmission electron microscopy. Scripta Materialia. 148, 1-4 (2018).
  68. Li, N., Hattar, K., Misra, A. In situ Probing of the Evolution of Irradiation-induced Defects in Copper. Microscopy and Microanalysis. 21, 443-444 (2015).
  69. Muntifering, B., Dunn, A., Dingreville, R., Qu, J., Hattar, K. In-Situ TEM He+ Implantation and Thermal Aging of Nanocrystalline Fe. Microscopy and Microanalysis. 21, 113-114 (2015).
  70. Muntifering, B., et al. In situ transmission electron microscopy He+ implantation and thermal aging of nanocrystalline iron. Journal of Nuclear Materials. 482, 139-146 (2016).
  71. Muntifering, B., Juan, P. A., Dingreville, R., Qu, J., Hattar, K. In-Situ TEM Self-Ion Irradiation and Thermal Aging of Optimized Zirlo. Microscopy and Microanalysis. 22, 1472-1473 (2016).
  72. Taylor, C., Muntifering, B., Snow, C., Hattar, K., Senor, D. Using in-situ TEM Triple Ion Beam Irradiations to Study the Effects of Deuterium, Helium, and Radiation Damage on TPBAR Components. Microscopy and Microanalysis. 23, 2216-2217 (2017).
  73. Taylor, C. A., et al. Investigation of Helium Behavior in Multilayered Hydride Structures Through In-situ TEM Ion Implantation. Microscopy and Microanalysis. 25, 1570-1571 (2019).
  74. Wang, X., et al. Defect evolution in Ni and NiCoCr by in situ 2.8 MeV Au irradiation. Journal of Nuclear Materials. , (2019).
  75. Bufford, D. C., Barr, C. M., Wang, B., Hattar, K., Haque, A. Application of In situ TEM to Investigate Irradiation Creep in Nanocrystalline Zirconium. JOM. , (2019).
  76. Hosemann, P., Kiener, D., Wang, Y., Maloy, S. A. Issues to consider using nano indentation on shallow ion beam irradiated materials. Journal of Nuclear Materials. 425, 136-139 (2012).
  77. Hinks, J., Van Den Berg, J., Donnelly, S. MIAMI: Microscope and ion accelerator for materials investigations. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 29, 021003(2011).
  78. Serruys, Y., et al. Multiple ion beam irradiation and implantation: JANNUS project. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 240, 124-127 (2005).
  79. Giannuzzi, L. A., Stevie, F. A. A review of focused ion beam milling techniques for TEM specimen preparation. Micron. 30, 197-204 (1999).
  80. Langford, R., Petford-Long, A. Preparation of transmission electron microscopy cross-section specimens using focused ion beam milling. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 19, 2186-2193 (2001).
  81. Ziegler, J. F., Biersack, J. P. Nuclear Energy Agency of the OECD (NEA). , (2008).
  82. Robinson, M. T., Torrens, I. M. Computer simulation of atomic-displacement cascades in solids in the binary-collision approximation. Physical Review B. 9, 5008(1974).
  83. Hands, A., et al. New data and modelling for single event effects in the stratospheric radiation environment. IEEE Transactions on Nuclear Science. 64, 587-595 (2016).
  84. Kinchin, G., Pease, R. The displacement of atoms in solids by radiation. Reports on progress in physics. 18, 1(1955).

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

申请许可

标签

视频即将推出

相关文章