Przygotowanie i testowanie zgodnie z powyższym opisem powinno skutkować uzyskaniem próbki, która pęka na odcinku pomiarowym, podobnie jak w przypadku próbki miedzi monokrystalicznej (SCC) przedstawionej na rysunku 6a. Awarii mechanicznej powinien towarzyszyć znaczny wzrost rezystancji, co potwierdza, że próbka SCC jest izolowana elektrycznie za pomocą izolacyjnych podkładek i ramy krzemowej pokrytej tlenkami. Dyslokacje płaskie w próbce należy obserwować w trybie jasnego pola TEM, ogniskując obraz w pobliżu osi strefy. Poprzez stopniowe zwiększanie odkształcenia aż do osiągnięcia naprężenia płynięcia (stan równowagi po granicy plastyczności), ruchy dyslokacji powinny być widoczne (rysunek 6b). Przy dodatkowym odkształceniu i/lub przyłożonym prądzie można stale monitorować odpowiadające im ruchy dyslokacji.
Rysunek 7 przedstawia reprezentatywne obrazy uzyskane podczas eksperymentu EAD na próbce SCC13. Po odkształceniu próbki do stanu równowagi po granicy plastyczności, przyłożono dodatkowe odkształcenie bez podawania prądu (patrz Rysunek 7b1). Doprowadziło to do powstania nowej pętli dyslokacyjnej (lub prawdopodobnie poślizgu drugiej dyslokacji), co wskazano strzałką na Rysunku 7b2. Bez zmiany odkształcenia przyłożono następnie gęstość prądu 500 A/mm2, co jednak nie wywołało zauważalnego ruchu żadnej z dyslokacji (Rysunek 7b3). Prąd odłączono, próbkę utrzymywano w stałym stanie przez jedną minutę, a następnie ponownie zwiększono odkształcenie, co raz jeszcze spowodowało zauważalne zmiany pętli dyslokacyjnej wskazanej strzałką na Rysunku 7b4. Wynik ten ilustruje potencjał tej procedury do izolowania efektów termicznych i elektrycznych biorących udział w deformacji wspomaganej elektrycznie. Za pomocą tej techniki przeprowadzono również eksperymenty z zastosowaniem wyższych gęstości prądu (do 5 kA/mm2), które dały podobne wyniki – brak obserwowalnego dodatkowego ruchu dyslokacji w przypadku braku dodatkowego odkształcenia. Stosowanie wyższych gęstości prądu podkreśla zdolność tej techniki do eliminacji naprężeń termicznych wywołanych ogrzewaniem dżulowskim, które komplikowały wcześniejsze zbiory danych EAD.
Biorąc pod uwagę niewielki rozmiar sekcji pomiarowej próbki, wybór wysokiej jakości materiału ma kluczowe znaczenie. Na przykład defekty materiałowe w skali mikro, np. pustki w pobliżu sekcji pomiarowej, doprowadziłyby do katastrofalnego uszkodzenia próbki podczas przygotowania materiału (Rysunek 4g). Jest to szczególnie problematyczne, ponieważ trudno stwierdzić obecność niewidocznych defektów materiałowych w sekcji pomiarowej bez przeprowadzenia dodatkowych badań nieniszczących, takich jak topografia dyfrakcyjna promieni X.
Kolejnym kluczowym wyzwaniem są możliwe uszkodzenia powierzchni podczas trawienia laserowego lub skupioną wiązką jonów, w tym implantacja jonów Ga, dyslokacje indukowane wiązką jonową oraz tworzenie struktur amorficznych w wyniku nagrzewania laserowego. Większość artefaktów powierzchniowych można usunąć, stosując delikatny proces trawienia FIB (krok 3.3). Niemniej jednak zastosowanie tych technik mikrowytrawiania wciąż wymaga ostrożności, ponieważ defekty powierzchniowe mogą zmienić mikrostrukturę próbki i znacząco wpłynąć na wyniki eksperymentów EAD. W naszej pracy wykorzystaliśmy wysokorozdzielcze obrazy TEM oraz wzory dyfrakcyjne, aby potwierdzić, że nasze próbki były rzeczywiście nieskazitelnym miedzią jednokryształową Rysunek 6c.
Warto zauważyć, że maksymalny wzrost temperatury w centrum sekcji pomiarowej można obliczyć za pomocą następującego równania13:
gdzie
to gęstość prądu,
to długość sekcji pomiarowej,
to oporność elektryczna, a
to przewodność cieplna. Równanie to wskazuje, że wzrost temperatury w sekcji pomiarowej jest bardzo wrażliwy na
, ponieważ maksymalny wzrost temperatury próbki jest bezpośrednio związany z kwadratem długości sekcji pomiarowej. Na przykład zwiększenie długości sekcji pomiarowej o rząd wielkości, z 10 µm (stosowanej w niniejszym badaniu) do 100 µm, spowodowałoby wzrost temperatury o dwa rzędy wielkości. Zamiast wzrostu temperatury o ~0,02 °C, temperatura wzrosłaby o ~2 °C, co prawdopodobnie miałoby istotny wpływ na wyniki tego badania. Ponadto na wzrost temperatury wpływa również wybór materiału. Miedź zastosowana w tej pracy charakteryzuje się stosunkowo niskim współczynnikiem oporności elektrycznej i wysokim współczynnikiem przewodności cieplnej, w efekcie czego dla danej gęstości prądu oczekiwany wzrost temperatury w próbce miedzianej byłby znacznie mniejszy w porównaniu do próbek z innych materiałów. Przykładowo, platyna ma 6-krotnie większą oporność i 5-krotnie mniejszą przewodność17 niż miedź i w rezultacie, przy tej samej długości sekcji pomiarowej i danej gęstości prądu, w przypadku platyny spodziewa się znacznie większego wzrostu temperatury (około 30-krotnie większego).

Rysunek 1: Mikrourządzeniowy system badań elektromechanicznych (MEMTS). Ten obraz jest trójwymiarowym (3D) schematem przedstawiającym kluczowe komponenty oraz sposób dopasowania próbek do uchwytu TEM. Pominięto jedynie przewody łączące próbkę z pinami w uchwycie TEM. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Proces wytwarzania ramek krzemowych. Goły wafel Si (a) jest powlekany wirowo fotorezystem (b), który następnie jest wzorowany za pomocą fotolitografii. Naświetlony fotorezyst jest wywoływany w celu odsłonięcia leżącego pod nim wafla Si (c). Wafel jest tymczasowo łączony z grubszym waflem nośnym, a następnie stosuje się trawienie jonami reaktywnymi (RIE), aby wytrawić cieńszy wafel górny (d-e). Aceton jest używany do usunięcia fotorezystu i oddzielenia wafla nośnego (f). Następnie na wszystkich powierzchniach wytrawionego wafla osadza się warstwę tlenku krzemu (g). Na koniec poszczególne ramki są oddzielane od wafla poprzez ostrożne odciągnięcie ich od wypustek wspierających (h). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 3: Wytwarzanie metalowych próbek. Zdjęcia optyczne (a) układu próbek miedzi, (b) pojedynczej próbki oraz (c) powiększonego widoku sekcji pomiarowej. Etapy procesu wytwarzania pokazano w (d), który stanowi przekrój wzdłuż linii A---A na zdjęciu (b). Obie strony cienkiej folii są pokryte fotorezystem w celu ochrony próbki podczas cięcia laserowego (d, góra). Struktury są obrabiane laserowo (d, drugi obraz), a następnie trawione w celu uzyskania gładkich krawędzi (d, trzeci obraz). W ramach jednego cyklu wytwarzania można uzyskać wiele próbek, co pokazano w (a). Na koniec fotorezyst jest usuwany, a poszczególne próbki są delikatnie oddzielane od arkusza próbek (d, dół). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 4: Obrazy z frezowania wiązką skupionych jonów (FIB). Obraz (a) przedstawia próbkę przymocowaną do ramki z Si oraz widok powiększony (wstawka) podpórki próbki po wycięciu laserowym. Obrazy (b)-(e) pokazują sukcesywnie cieńszą sekcję pomiarową podczas kolejnych przejść FIB. Każde przejście usuwa coraz mniej materiału, aby poprawić wykończenie powierzchni i zmniejszyć zmiany właściwości materiałowych wynikające z procesu frezowania. Możliwe jest jednak pozostanie defektów w sekcji pomiarowej (f), co może prowadzić do zniszczenia materiału jeszcze przed przyłożeniem jakiegokolwiek odkształcenia (g). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Próbka zamocowana w uchwycie TEM. (a) i (b) przedstawiają zmontowaną próbkę w uchwycie TEM oraz końcowy wymiar sekcji pomiarowej z gładkimi powierzchniami uzyskanymi dzięki delikatnemu trawieniu FIB. Po przywiązaniu próbki do ramki Si i zamocowaniu srebrnych drucików za pomocą przewodzącego epoksydy (c), dwa okrągłe otwory w ramce Si służą do montażu próbki w uchwycie TEM. Nieprzewodzące podkładki są stosowane w celu izolacji próbki od uchwytu TEM. Na koniec srebrne druciki są mocowane do pinów uchwytu TEM za pomocą przewodzącego epoksydy. Zmodyfikowano13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 6: Reprezentatywna próbka monokrystalicznej miedzi (SSC). (a) przedstawia sekcję pomiarową (miejsce A z ryciny 1) pobraną po zniszczeniu sekcji pomiarowej. (b) to obraz w jasnym polu sekcji pomiarowej ukazujący dyslokacje płaskie. (c) przedstawia wzór dyfrakcyjny w sekcji pomiarowej. Zmodyfikowano13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 7: Obrazy TEM z eksperymentu EAD in situ. Obrazy te ukazują wpływ obciążenia mechanicznego i elektrycznego na ruch dyslokacji. (b1)-(b4) przedstawiają powiększenie obszaru (b) z rysunku (a). (b1) pokazuje próbkę w stanie równowagi po przekroczeniu granicy plastyczności. (b2) identyfikuje tworzenie się pętli dyslokacyjnych wynikające z dodatkowego odkształcenia poza stanem pokazanym w (b1). Nie zaobserwowano żadnych zmian po przyłożeniu prądu (b3). Po ponownym zwiększeniu odkształcenia ponownie zauważono dalsze zmiany dyslokacji (b4). Przedrukowano13 za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.