氬離子拋光技術(shù)是對樣品表面進(jìn)行拋光,，去除損傷層,，從而得到高質(zhì)量樣品，用于在 SEM,，光鏡或者掃描探針顯微鏡上進(jìn)行成像,、EDS、EBSD,、CL,、EBIC 或其它分析。針對不同的樣品的硬度,，設(shè)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(qiáng)度,、角度,、這樣的參數(shù)，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(nèi)部的真實(shí)結(jié)構(gòu),，正如頁巖內(nèi)部的細(xì)微孔隙在SEM下放大到10K時(shí)也能看得清清楚楚，以及材料內(nèi)部的不同物質(zhì)分層都能看的分界線明顯,。

　　氬離子拋光機(jī)具備樣品切割和拋光兩項(xiàng)功能,；

　　氬離子拋光在材料制樣的特出優(yōu)點(diǎn)：
　　（1）對由硬材料和軟材料組成的復(fù)合材料樣品, 能夠很精細(xì)地制作軟硬接合部的截面, 而使用傳統(tǒng)方法制樣是很困難的,。
　?。?）比FIB方法的拋光面積更大（~1mm以上）。

　　氬離子拋光機(jī)可以用于各種材料樣品（除了液態(tài)）的制備,，適應(yīng)大多數(shù)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(zhì)、油頁巖,、 鋰離子電池,、光伏材料、 薄膜,、半導(dǎo)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(jī)物

　　氬離子束拋光：具體應(yīng)用領(lǐng)域有： EBSD 樣品,、光伏、半導(dǎo)體,、金屬(氧化物, 合金),、陶瓷
　　地質(zhì)樣品，油頁巖,、CL


　　以用氬離子拋光制樣，觀察頁巖樣品內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)為例：
　　近年來隨著非常規(guī)油氣資源勘探和開發(fā)的不斷發(fā)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(zhì)微觀研究中的重要手段結(jié)合,。zui近興起的氬離子拋光技術(shù)，能夠進(jìn)一步揭示頁巖內(nèi)部納米級孔隙的真實(shí)形貌,， 

　　但是作為石油地質(zhì)行業(yè)新興的實(shí)驗(yàn)技術(shù),，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(yè)的方法,。由于頁巖結(jié)構(gòu)的特殊性,，其內(nèi)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(shù)納米至數(shù)十納米之間(圖1),，因此對于樣品平整度的要求*。

　　目前的制樣方法是否適用于頁巖結(jié)構(gòu)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(jié)果,，對制樣過程中的各類因素進(jìn)行分析，以期找到更為適合的頁巖拋光制樣方法,。
　　1 實(shí)驗(yàn)部分
　　實(shí)驗(yàn)用儀器:熱場發(fā)射掃描電鏡,、氬離子拋光儀、精密切片機(jī),。

　　氬離子拋光是利用高壓電場使氬氣電離產(chǎn)生離子態(tài),，產(chǎn)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(jìn)行逐層剝蝕而達(dá)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(xì)) 對其進(jìn)行打磨。然后將樣品固定在拋光儀上,，抽真空，設(shè)置好加速電壓等工作參數(shù),，利用高能氬離子束進(jìn)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(jī)械切割，孔徑多在50 μm 以下,。因此在將頁巖樣品固定時(shí),，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(nèi)部真實(shí)的孔隙截面形貌,。拋光處理后,，本文采用場發(fā)射掃描電鏡(二次電子SE2 檢測器)對頁巖拋光表面進(jìn)行分析對比。

　　

　　2 結(jié)果和討論
　　由于頁巖較強(qiáng)的非均質(zhì)性,，本實(shí)驗(yàn)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(shí)間,、拋光角度、樣品臺轉(zhuǎn)速及氬氣流速等,。由于儀器的特性,，氬氣流速可調(diào)范圍較小，本文主要針對前四者進(jìn)行分析,。具體的對比實(shí)驗(yàn)條件見表1,。


　　

　　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(guān)系到拋光過程能否完成及拋光的質(zhì)量,，是拋光制樣中zui為重要的因素,。本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)加速電壓低于3． 5 kV時(shí)幾乎無法對頁巖樣品進(jìn)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(jìn)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(qū)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(shù)下
　　(圖3d，e),，4 kV加速電壓的拋光效果略優(yōu)于5 kV,。 

　　

　　圖3 不同加速電壓下頁巖拋光面二次電子像

　　當(dāng)加速電壓增大至6 kV 時(shí)，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(shí)所產(chǎn)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(fā)現(xiàn)頁巖拋光后,，部分微孔隙背對離子束的一側(cè)會出現(xiàn)較短的凹槽,，方向與離子束方向一致(圖3f 左側(cè))。其原因可能在于:頁巖拋光過程中會產(chǎn)生大量的直徑為納米級的細(xì)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(shí)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(gè)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(cè)進(jìn)行“二次拋光”,，直至其能量耗盡。這也表現(xiàn)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(xiàn)也與加速電壓的大小息息相關(guān),，較低的加速電壓能夠明顯降低凹槽出現(xiàn)的幾率,。因此在實(shí)際工作中，在滿足完成拋光所需能量
　　的同時(shí),，盡可能選擇相對較低的加速電壓進(jìn)行拋光制樣,。

　　2． 2影響因素二：拋光時(shí)間
　　不同的拋光時(shí)間，除了影響拋光區(qū)域的大小,，也會影響拋光樣品的平整度,。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)可以看出:經(jīng)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*,，4 h 次之;當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步延長達(dá)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(jié)果。因此拋光時(shí)間并非越長越好,，過長的拋光時(shí)間反而會導(dǎo)致拋光質(zhì)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(guān),。本組實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)動(dòng)的,，因此實(shí)際上樣品的拋光角度可以分別達(dá)到30°,、60°和80°。
　　從圖5 可以看出,，離子束入射角為15° 時(shí),，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(shí),，這一情況得到明顯改善。低放大倍數(shù)下,，后者略優(yōu)于前者;高放大倍數(shù)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(qū)域會隨著拋光角度的增大而增大，如果需要較大的觀測區(qū)域,，那么可以在此范圍內(nèi)適當(dāng)增大入射角度,。但當(dāng)入射角進(jìn)一步增大時(shí)，拋光的深度會顯著減少,，導(dǎo)致拋光區(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)的,，即離子束拋光區(qū)域不停地左右變換，這里的轉(zhuǎn)速就是指樣品臺左右變換的頻率,。實(shí)驗(yàn)選取了2 種不同的樣品臺轉(zhuǎn)速:3 次/min 及30 次/min,，結(jié)果如圖6 所示。顯然較低樣品臺轉(zhuǎn)速條件下,，頁巖拋光的效果更佳,，拋光面的劃痕遠(yuǎn)少于高樣品臺轉(zhuǎn)速條件下的。樣品臺的轉(zhuǎn)速越快,，則相當(dāng)于在單位時(shí)間內(nèi)拋光的次數(shù)越多,，其實(shí)際效果等同于同轉(zhuǎn)速下拋光時(shí)間的延長［21］。因此,，在實(shí)驗(yàn)條件下,，3 次/min 的轉(zhuǎn)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(jié)論
　　較低的加速電壓(4 ～ 5 kV) 有利于獲得較好的拋光質(zhì)量;頁巖拋光區(qū)域的平整度會隨拋光時(shí)間的延長而變好,，但到達(dá)一定的時(shí)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(nèi))更易獲得較平整的拋光面;較低的樣品臺轉(zhuǎn)速(3 次/min) 條件下的拋光效果明顯優(yōu)于高轉(zhuǎn)速(30 次/min)條件下的,。在對上述條件進(jìn)行優(yōu)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。