联用开尔文探针力显微镜与其他显微及谱学技术：在合金腐蚀表征中的若干应用

摘要

开尔文探针力显微镜（KPFM）可测量表面形貌和表面电势差异，而扫描电子显微镜（SEM）及其相关谱学技术则可用于阐明表面形貌、成分、结晶性及晶体取向。因此，将SEM与KPFM进行共定位分析，有助于揭示纳米尺度成分和表面结构对腐蚀行为的影响。

摘要

开尔文探针力显微镜（KPFM），有时也称为表面电势显微镜，是传统扫描开尔文探针的纳米尺度版本，二者均通过施加一个与探针尖端和样品表面之间接触电势差大小相等、极性相反的补偿电压，来测量该电势差（即伏打电势差，VPD）。通过在样品表面扫描导电的KPFM探针，可同时获得表面形貌和电势的纳米级分布图，从而识别可能的阳极和阴极区域，并量化材料发生电偶腐蚀的本征驱动力。

将开尔文探针力显微镜（KPFM）的伏特电位图与先进的扫描电子显微镜（SEM）技术进行后续共定位分析，包括背散射电子（BSE）图像、能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图以及电子背散射衍射（EBSD）反极图，可进一步揭示结构-性能-功能之间的关系。本文展示了多项针对多种具有技术应用价值的合金材料，将KPFM与SEM共定位联用的研究结果，证明了在纳米尺度上结合这两种技术在阐明腐蚀起始与扩展机制方面的有效性。

此类研究中需要考虑的重要因素以及需要避免的潜在问题也得到了强调：特别是探针校准，以及测试环境和样品表面可能对测得的表面电势差（VPD）产生的干扰效应，包括环境湿度（即吸附水）、表面反应/氧化、抛光残留物或其他污染物。此外，还提供了一个实例，将第三种技术——共聚焦拉曼显微镜进行共定位分析，以展示该共定位方法的普遍适用性和实用性，从而提供超越电子显微技术所能获得的更深入的结构信息。

引言

材料的显微表征对于理解与开发新材料至关重要。多种显微技术可提供材料表面及其性能的图谱，包括形貌、弹性、应变、电导率和热导率、表面电势、元素组成以及晶体取向。然而，单一显微技术所提供的信息往往不足以全面理解可能影响材料特定行为的各种性能集合。在某些情况下，已研制出具备组合表征能力的先进显微镜，例如将原子力显微镜（AFM）集成于倒置光学显微镜平台，或在同一台AFM上结合多种扫描探针模式（如开尔文探针力显微术[KPFM]或互调谐静电显微术[ImEFM¹]、表面电势测量以及磁力显微术[MFM]^2,3,4,5）对样品进行表征。更普遍地，人们希望结合两台独立显微镜的信息，以获得结构与性能之间的关联性^6,7。本文通过扫描开尔文探针力显微术与扫描电子显微镜及基于拉曼的显微镜和光谱技术的共定位分析，展示了一种整合两台或多台独立显微镜所获信息的方法流程，并以金属合金的多模态表征以理解其腐蚀行为作为具体应用实例进行说明。

腐蚀是指材料与其所处环境发生化学和电化学反应的过程⁸。电化学腐蚀是一种自发过程（即热力学上有利，由自由能净降低驱动），涉及电子和电荷在阳极与阴极之间、并在电解质存在条件下的转移。当金属或合金表面发生腐蚀时，会因显微组织特征成分的差异而形成阳极区和阴极区，这一过程称为微电偶腐蚀⁹。通过采用共定位的纳米尺度表征技术，本文所述方法提供了一种实验途径，可用于识别多种合金显微组织特征之间可能形成的微电偶对，从而为腐蚀防护以及新材料的开发提供有价值的参考。这些实验结果能够确定在活性腐蚀过程中，合金表面的哪些显微组织特征更可能充当局部阳极位点（即氧化反应位点）或阴极位点（即还原反应位点），并有助于深入理解腐蚀起始及反应过程中的纳米尺度特征。

开尔文探针力显微镜（KPFM）是一种基于原子力显微镜（AFM）的扫描探针显微术（SPM）表征技术，能够同时（或逐行依次）获取样品表面的形貌图和接触电势差（VPD）图，其空间分辨率分别可达约10纳米和毫伏量级¹⁰。为实现这一目标，KPFM采用带有纳米级尖端的导电AFM探针。通常情况下，探针首先追踪样品表面的形貌变化，随后抬升至样品表面上方某一用户设定的高度，再沿原路径扫描以测量探针与样品之间的VPD（即样品表面的相对伏特电势）。尽管KPFM在实际测量中存在多种实现方式，但其基本原理是通过同时向探针施加交流偏压（在本实现方案中施加于探针）和向样品施加可变直流偏压（在本实现方案中施加于样品），使探针-样品间的电势差为零；该状态表现为探针在所施加的交流偏压频率（或其异频放大后的和频与差频，位于探针固有机械共振频率两侧）下的振荡信号被抵消¹¹。无论采用何种实现方式，KPFM均可在金属表面获得具有高横向空间分辨率且相互关联的形貌与VPD图谱¹²。

通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测得的接触电势差（VPD）与样品和探针之间功函数的差异直接相关，此外，VPD通常随溶液中的电极电位变化而变化^13,14,15。该关系可用于根据VPD确定微观结构特征预期的（局部）电极行为，并已在多种金属合金腐蚀体系中得到研究^{15,16,17,18,19,20,21,22}。此外，测得的VPD对局部成分、表面层以及晶粒/晶体/缺陷结构敏感，因此可从纳米尺度揭示金属表面腐蚀反应起始和发展的关键特征。需要注意的是，VPD（Ψ）与（不可测量的）表面势（χ）相关但不同，相关详细说明见文献^13,14，其中包含有助于理解的示意图以及电化学术语的精确定义²³。近年来，KPFM在腐蚀研究中的应用取得了显著进展，通过仔细考虑样品制备、测量参数、探针类型和外部环境的影响，显著提高了所获取数据的质量和可重复性^24,25,26,27。

开尔文探针力显微镜（KPFM）的一个缺点是，尽管它能够生成表面接触电势差（VPD）的纳米级分辨率图谱，但无法直接提供有关样品成分的信息，因此必须通过与互补的表征技术进行共定位，才能将VPD的变化与元素组成的差异相关联。通过将KPFM与扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）和/或拉曼光谱相结合，可以获得相应的成分和/或结构信息。然而，由于成像放大倍数极高、视场和分辨率存在差异，以及表征过程中样品与探针的相互作用，纳米尺度技术之间的共定位可能具有挑战性²⁸。在不同仪器上对同一样品区域获取从纳米到微米尺度的图像，需要高精度操作和周密规划，以实现技术间的共定位，并尽量减少在连续表征过程中可能发生的交叉污染所导致的人工假象^18,28。

本文旨在定义一种系统性方法，用于实现开尔文探针力显微镜（KPFM）与扫描电子显微镜（SEM）成像的共定位，其中后者可由其他表征技术替代，例如能谱仪（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）或拉曼光谱。必须理解表征步骤的正确顺序、环境因素对KPFM分辨率和测得的接触电势差（VPD）的影响、KPFM探针的校准，以及为成功实现KPFM与SEM或其他先进显微与光谱技术共定位所可采用的各种策略。为此，本文提供了一套逐步通用的SEM与KPFM共定位操作流程，随后列举了此类共定位的典型研究实例，并提供了有助于获得有意义结果的实用技巧与建议。更广泛而言，本文所述流程可用于指导将其他显微技术获得的图像或物性分布图与KPFM及其他原子力显微镜（AFM）模式进行共定位，从而在多种材料体系中建立有用的结构-性能关系^{6,7,29,30,31,32}。

方案

1. 金属合金共定位成像的示例样品制备

1. 准备尺寸足够小的样品，以满足原子力显微镜（AFM）及其他拟使用表征工具的尺寸要求（例如，针对此处使用的AFM，参见材料表，确保样品高度<18 mm，以便能够置于AFM探头下方），样品底部应足够平整，以确保与AFM载物台样品夹具的真空密封良好；表面粗糙度应尽可能低，且无松散碎屑，并提供从基底到顶面的导电通路。
   1. 将样品切割至合适尺寸，并嵌入高真空兼容的环氧树脂中（参见材料表；通常使用直径约25 mm的圆柱形模具）。
2. 将样品抛光至纳米级表面粗糙度。
   注：此处提供一种典型的抛光方法；有关针对特定材料或样品所采用的其他抛光方法，请参见本文引用的参考文献。以下示例方法采用手工抛光结合抛光轮进行。
   1. 从较粗粒度开始，逐步过渡至更细粒度的碳化硅砂纸。
      1. 由粗到细依次使用砂纸（例如，ANSI标准120目至1200目），每种粒度抛光5分钟。每次更换砂纸后，使用光学显微镜检查样品表面，目视确认划痕极少或无划痕。
         注：ANSI标准120目和1200目砂纸分别对应欧洲P级P120和P4000。
   2. 使用非水性1 µm金刚石悬浮液手工抛光10分钟，随后使用0.05 µm金刚石悬浮液继续抛光。
   3. 使用振动抛光机，以0.05 µm或0.08 µm的水性胶体二氧化硅抛光液对样品抛光24小时。
      注：使用振动抛光机能获得比手工抛光更精细的表面光洁度，从而获得更高品质的开尔文探针力显微镜（KPFM）图像。
   4. 若所研究材料不易快速氧化，则在超声清洗前先用去离子水（或另一种合适的、氧化性较低的溶剂，如无水乙醇）冲洗样品，然后将样品置于烧杯中用适当溶剂（例如乙醇，具体选择取决于所用环氧树脂、抛光剂及合金成分）进行超声清洗，以去除残留的抛光剂或材料碎屑。
   5. 将样品从超声清洗仪中取出，用溶剂冲洗，并用压缩空气或超高压纯度（UHP，99.999%）压缩氮气吹干。
   6. 使用光学显微镜判断抛光效果是否充分。确保样品表面几乎无可见划痕（理想情况下呈现镜面外观）。
3. 实施所需的共定位方法，建立原点与坐标轴（即样品位置/注册信息以及取向/旋转信息）。
   注：可能的共定位方法包括纳米压痕阵列、划痕标记、永久性墨点或其他在待共定位显微镜的光学系统中易于识别的特征。参见图1，了解抛光后仍可见的易识别光学特征示例。
   1. 使用商用仪器化纳米压痕仪在抛光前或抛光后进行纳米压痕，以生成可识别的定位标记（图2）。
   2. 或者，在抛光后制作墨点或划痕（例如使用微操纵探针、剃刀片或金刚石刻划笔）。如果后续需对样品进行腐蚀测试，则应避免使用这些方法。

图 1：共定位的光学显微镜与开尔文探针力显微镜（KPFM）图像。（A）光学显微镜图像，以及（B）图 A 中方框区域的放大 KPFM 图像，显示了 Cu-Ag-Ti（CuSil）钎料合金中富铜和富银相分离区域的清晰证据，其对比度足以通过肉眼识别³⁰。比例尺：（A）25 µm，（B）7 µm。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微镜。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：用于KPFM与电子显微镜共定位分析的纳米压痕标记。 利用配备金刚石Berkovich压头的纳米压痕仪创建由三个非对称标记（标记为1-3，其中两个圆圈分别表示XY轴，三角形表示原点）组成的图案，从而可在多个表征技术中分析同一感兴趣区域：(A) 二次电子（SE）扫描电镜（SEM）成像，(B) 背散射电子（BSE）SEM成像，以及(C) α-Ti 和 (D) β-Ti 的电子背散射衍射（EBSD）测量结果。图中A–D面板内倾斜的虚线方框所示区域随后通过原子力显微镜/开尔文探针力显微镜（AFM/KPFM）进行表征，得到(E) 高度图像和(F) 伏特电势图像。A–D中的实线和虚线小矩形框代表更高分辨率KPFM扫描区域，将在后续进行更详细分析（见图9）。本图引自Benzing等人的研究³²。比例尺 = 20 µm。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微镜；SE = 二次电子；SEM = 扫描电子显微镜；BSE = 背散射电子；EBSD = 电子背散射衍射；AFM = 原子力显微镜。 请点击此处查看该图的放大版本。

2. KPFM 成像

1. 打开原子力显微镜（AFM）并启动相应的控制软件（具体取决于所使用的AFM型号，请参见 材料表 以及包含在KPFM标准操作程序（SOP）中的 补充材料）。在 选择实验 在打开的窗口中，选择相应的 实验类别，实验组，以及 实验 (电学 & 磁性、电学 & 磁悬浮模式，以及 PeakForce KPFM 在此情况下；参见 图1 在 补充材料 标准操作程序（SOP），然后单击 加载实验 打开所需的工作流程。实验工作流程打开后，点击 设置 在工作流程中。
2. 将导电原子力显微镜探针安装并固定在合适的探针 holder 上（参见 材料表），将探针支架安装到原子力显微镜（AFM）探头，并调整激光使其照射到探针悬臂的背面并进入位置敏感探测器（PSD）。（参见标准操作程序（SOP）在 补充材料 有关探针装载和激光校准步骤的更多细节和图像，请参见）。
   注意：所选探针支架必须为探针与原子力显微镜（AFM）之间提供连续的电通路，以实现偏压。
   1. 小心地将探针安装到探针支架上。取下原子力显微镜（AFM）探头。通过将探针支架上的孔与探头上的接触针脚对齐，安装探针及探针支架。重新将探头安装到原子力显微镜上，并固定探头位置。
      注意：静电放电（ESD）可能轻易损坏许多开尔文探针力显微镜（KPFM）探针上的导电金属涂层以及敏感的原子力显微镜（AFM）电子元件，因此根据环境条件（例如湿度），应考虑采取防静电措施，如佩戴防静电手套和/或使用接地腕带或接地垫。
   2. 在 探针设置 菜单，确保 探针类型 正在使用的设备将被显示。如有必要，单击 选择探针 从下拉菜单中选择正确的探针类型，然后单击 返回并保存更改.
   3. 在 聚焦提示 菜单中，使用 焦距控制 上下箭头。调节焦距 速度，光学 缩放，以及视频 光照 根据需要进行调整。当悬臂末端处于焦点时，通过在光学图像上点击与悬臂末端下方针尖位置相对应的点，将十字线对准针尖位置，该位置需依据已知的针尖与悬臂远端之间的后移距离确定。
      注意：探针回缩距离通常由探针制造商提供或指定。
   4. 使用 激光准直 AFM探头上的旋钮，将激光对准探针悬臂背面的中心，朝向远端（即朝向探针尖端，远离探针基底），并使反射光束在PSD上居中，以最大化信号 总和 电压，同时最小化 垂直 和 水平方向 偏转。
3. 将样品装载到卡盘上并打开 Chuck真空 使用 开/关 杠杆开关。涂抹一条细线状的导电银浆（参见 材料表) 以提供从样品到样品台的连续导电通路。待银浆干燥后，使用万用表检测样品上表面与样品台/载台之间是否具有良好的导通性。（参见标准操作程序在 补充材料 如需更多详情。
   注意：如果样品与样品台/卡盘之间的电连接不良，开尔文探针力显微镜成像过程中获得的电势通道数据将出现噪声和/或错误。
4. 选择 导航 在原子力显微镜控制软件的工作流程窗口中，通过载物台移动将探针移至样品上方 XY 控制 箭头。使用 扫描头 上/下箭头，然后使用载物台移动 XY 控制 再次使用箭头定位指定的起点，并移动到感兴趣区域（ROI）。（参见 图8 和 图9 在 补充材料 标准操作程序（SOP）
   1. 谨慎接近表面（根据需要调整扫描头移动速度），并使表面聚焦。注意避免探针与样品表面发生碰撞，否则可能导致探针或样品损坏。
      注意：此处使用的原子力显微镜控制软件提供两种聚焦选项： 样本（默认） 和 尖端反射前者采用1 mm焦距，使得当表面在光学视野中清晰对焦时，AFM悬臂尖端位于表面上方约1 mm处。后者采用2 mm焦距，使得当悬臂位于表面上方约2 mm时，表面在视野中清晰对焦；而当悬臂位于表面上方约1 mm时，针尖的反射像呈现清晰对焦（假设样品表面高度抛光且具反射性）。因此，建议的接近表面的方法是首先在 尖端反射 以全速（100%）模式和方法运行，直至样品表面聚焦清晰，然后切换至 样本（默认） 以中等速度（20%）接近表面，从距表面2 mm移动至1 mm处。
   2. 使用载物台移动装置 XY 控制 将一个易于识别/显著的特征精确定位在探针尖端正下方（该位置由原子力显微镜及所用软件的光学观察窗口中的十字准线指示）。当探针位于该特征上方后，通过点击校正由侧置摄像头光学系统引起的视差。 校准 在工具栏中，然后选择 光学 和 光学/SPM轴共线性. 通过点击逐步完成共线性校准步骤 下一步将十字线对准每幅呈现的光学图像中的同一显著特征，然后点击 完成，然后点击 导航 在软件工作流程中继续。
   3. 定位指定的原点（根据所选/所用的共定位方法），并相应地对齐X轴和Y轴坐标（即样品取向与旋转），使探针尖端位于原点正上方。为实现可重复地导航至目标感兴趣区域（ROI），并与其他表征技术/仪器进行共定位，请记录软件窗口底部显示的X和Y位置值（单位：µm）。当探针位于指定原点上方时，记录此时的XY位置，随后移动至目标区域（ROI）并记录新的XY位置。计算这两个位置之间的差值，以确定在将开尔文探针力显微镜（KPFM）与其他显微镜及光谱技术进行共定位时，需在X和Y方向上移动的距离。
      注意：相对于原点确定和定义感兴趣区域（ROI）位置的方法有多种，具体如下文各子步骤所述。
      1. 点击 阶段 在工具栏中并选择 移动至记录起始点的 XY 坐标位置，然后输入绝对坐标（默认）或相对坐标（通过选择相对） 相对运动 根据感兴趣区域（ROI）与原点之间的期望距离，调整X和Y的移动值（或使用载物台移动控制将ROI导航至目标位置，并记录新的XY坐标）。
      2. 或者，最直观且因此更受青睐的方法是单击 阶段 在工具栏中并选择 设置参考文献当光标位于指定原点上方时，单击 标记点为原点 下 定义原点 将X和Y位置值归零。然后，将探头移动至目标感兴趣区域（ROI），记录从原点到该ROI的距离，该距离以屏幕底部显示的X和Y值表示。
5. 关闭并锁紧包裹原子力显微镜（AFM）的声学罩。
   注意：上述方法假设使用标准环境下的原子力显微镜系统，但开尔文探针力显微术（KPFM）也可在惰性气氛手套箱中进行。尽管更具挑战性，但在手套箱内搭载原子力显微镜具有显著优势，因其可减少样品表面吸附水的含量，从而实现更低的抬升高度（进而获得更高的空间分辨率）以及相较于环境条件下湿度波动所导致的更可重复的表面电势差（VPD）测量结果；此外，还可防止样品抛光后在空气中形成钝化氧化层或发生腐蚀图3）。若在环境条件下进行开尔文探针力显微镜（KPFM）实验，建议尽可能仔细控制并监测温度和相对湿度。详见讨论部分。
6. 选择 检查参数 工作流程窗口，并确保默认的初始成像参数可接受。前往 显微镜 工具栏中的设置，选择 启用设置，并确保默认 启动参数 可以接受，可根据需要进行修改。（参见标准操作规程） 补充材料 有关更多详细信息，请点击 启动 在工作流程中点击按钮以使探针在表面接触。监测接触过程，确保探针正确接触。
   注意：点击后 启动，the 尖端固定 软件屏幕底部的通知将更改为 电机：ZZ.Z µm 其中 ZZ.Z 是步进电机向样品表面移动的距离。探针应在“进针设置”（Engage Settings）中设定的大致 SPM 安全距离处接触表面（默认值为 100 µm）。若使用具有特别长针尖（即较大的针尖高度）的探针，可能需要增大 SPM 安全距离，以避免在进针过程的初始快速下降阶段撞击表面（即 SPM 安全距离必须大于探针针尖高度，针尖高度定义为从悬臂到针尖末端的距离，加上表面聚焦距离的不确定性）。
7. 结合后，将力曲线的显示类型从 力与时间 到 力与Z轴关系 通过右键单击曲线并选择 切换显示类型优化原子力显微镜形貌和开尔文探针力显微镜参数 参数 扫描界面的窗口（参见讨论部分及KPFM标准操作程序） 补充材料）。在确定一个合适的 目录 路径和 文件名 在……下方 捕获 > 捕获文件名，点击 捕获 单击图标以设置捕获下一个完整的图像，然后单击 撤回 在工作流程中，图像捕获后（或单击 捕获 > 捕获回撤 以自动化该过程）。

图3惰性气氛与环境气氛对开尔文探针力显微镜（KPFM）伏特电势测量的影响 同一二元MgLa合金区域的KPFM图像，分别在（A干燥氮气₂ 以及（B) 在相同型号的原子力显微镜（AFM）上，使用相同类型的探针和成像模式，在环境空气条件下进行。两种情况下，样品均成像两次，两次成像之间间隔过夜孵育。空气中的图像在液氮中图像获取后的1天获得₂结果表明，合金表面形成一层薄的钝化氧化层后，暴露在环境空气中会导致KPFM对比度随时间推移而降低。使用惰性气氛（干燥N₂）₂手套箱AFM系统还允许使用更低的抬升高度，从而可获得更高的横向空间分辨率。比例尺 = 10 µm。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微镜；AFM = 原子力显微镜。 请点击此处以查看此图的放大版本。

3. 扫描电镜、能谱和电子背散射衍射成像

注意：最好在开尔文探针力显微镜（KPFM）测量之后进行任何电子显微镜或光谱表征，因为电子束可能在样品表面沉积不需要的碳层（即电子束沉积）；这种污染层会影响通过KPFM测得的表面电势（VPD）（例如，参见 Hurley 等人.¹⁸ 中的图 2 或 Mallinson 和 Watts²⁸ 中的图 1）。即使在极高真空条件下，也可能沉积薄层碳污染，从而影响表面电势的测量结果。

1. 确保样品能够抑制电荷积累。如果样品导电性不足（金属合金通常不存在此问题），可考虑在成像前进行碳镀膜处理。将样品装入扫描电镜（SEM）样品室，关闭并抽真空；通过点击Beam On按钮开启电子束。使用放大倍数调节旋钮光学缩小，以获得样品表面的最大视野范围（FOV）。
2. 定位指定的起始位置（例如纳米压痕、划痕、永久性墨水点或光学特征），然后使用放大倍数旋钮逐步放大。根据基准标记（fiducial markers）输入载物台旋转和倾斜参数，调整X轴和Y轴方向（即调节样品取向/旋转角度）。根据需要进一步放大，并采集指定感兴趣区域（ROI）的所需图像（例如二次电子[SE]、背散射电子[BSE]及能谱（EDS）图谱），保存文件。
   注意：由于SEM提供的视野范围通常大于原子力显微镜（AFM），因此通常建议获取较大区域的SEM图像，以确保完整覆盖后续将与开尔文探针力显微镜（KPFM）共定位的区域（详见讨论部分）。

4. KPFM、SEM、EDS 和 EBSD 图像叠加与分析

1. 使用每种表征工具配套的适当软件（参见 材料表根据需要处理原始数据。将获取的开尔文探针力显微镜（KPFM）和扫描电子显微镜（SEM）图像保存并导出为所需的文件格式（例如 *.spm、*.txt、*.jpg、*.tif 等），以供图像叠加软件使用。
   1. 正确处理KPFM数据以确保获得高质量图像（参见 材料表).
      注意：根据所使用的具体原子力显微镜（AFM）硬件和软件配置，测得的接触电势差（VPD）的符号（即正负号及相对顺序）可能相反，需要进行反向处理。通常将VPD报告为样品的伏尔塔电势减去探针尖端的伏尔塔电势，其中更惰性/更难被氧化的表面表现为更大、更正的伏尔塔电势，这与功函数通常被报告为较大的正值一致，表示从表面移除一个电子的相对难度更高。
      1. 打开KPFM数据文件后，应用一阶校正 平面拟合 与原子力显微镜形貌图（AFM topography）高度传感器) KPFM 图像的通道，以消除样品的针尖效应和倾斜，以及一阶项 压平 如有需要，可通过此步骤补偿因探针磨损或探针尖端沾附碎屑导致的逐行偏移。
         注意：如果需要绝对的开尔文探针力显微镜（KPFM）伏特电势测量值（参见文中的讨论），或需比较使用同一探针测量的多幅图像中的KPFM表面电势差（VPD），则不应处理KPFM伏特电势通道数据（即应使用原始采集数据）。如果用户仅关注成像样品区域内微结构内部的相对VPD，则允许对数据进行处理 平面拟合 和 压平 开尔文探针力显微镜（KPFM） 电位 同时使用该通道以提高图像质量。
      2. 为KPFM图像选择所需的颜色方案/渐变，首先进行选择 电势 位于AFM形貌图像左侧的通道缩略图，然后双击 颜色标尺栏 在 KPFM VPD 图的右侧打开 图像颜色标尺调整 观察窗口 选择颜色表 表。
      3. 输入合适的标尺范围（例如， 最低限度 和 最大值 KPFM VPD 图像中的值） 修改数据比例尺 标签的 图像颜色标尺调整 窗口，然后单击（即 最低限度 和 最大值 值）。重复此过程以处理原子力显微镜（AFM）形貌图像，在此之前需先（重新）选择该图像 高度传感器 频道缩略图图像。保存 期刊质量导出 处理后的AFM形貌图像和KPFM VPD图作为图像文件（例如，*.jpg、*.tif等）。
2. 打开处理后的原子力显微镜（AFM）形貌图像和开尔文探针力显微镜（KPFM）表面电势差（VPD）图，以及原始扫描电子显微镜（SEM）图像，导入所选的图像处理软件中（参见 材料表). 在AFM/KPFM数据和SEM图像（如SE、BSE、EDS、EBSD等）中识别指定的原点。将两幅图像中的原点对齐，然后利用选定的基准标记或特征结构所确定的X轴和Y轴进行旋转对齐。根据需要调整图像比例。
   注意：原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）图像中的形貌特征应相互对应，并可能与开尔文探针力显微镜（KPFM）及成分信息（如背散射电子（BSE）图像或能谱图（EDS maps））相对应，这是由于不同成分具有不同的抛光速率和垂直相分布（VPDs）。在叠加和对齐图像时，通常有助于增加顶层（叠加）图像的透明度。

结果

二元镁合金：开尔文探针力显微镜与扫描电镜分析
由于具有优异的比强度，镁（Mg）合金在便携式电子设备以及自行车、汽车和飞机等交通工具的结构部件中具有广泛的应用前景。此外，镁合金还被用于阴极保护以及电池系统中的阳极材料^33,34,35。纯镁难以形成具有保护性的钝化氧化膜，因其氧化膜过薄（MgO的Pilling-Bedworth比值为0.81），导致镁在与大多数导电材料形成合金时表现出高度的化学活性（相对于标准氢电极的还原电位为−2.372 V）⁹。镁合金腐蚀的主要驱动力之一是阴极活化，即阳极溶解过程会增强阴极反应²⁹。抑制该过程的一种方法是通过微量添加能够减缓阴极析氢反应的金属元素进行微合金化。2016年的一项研究探讨了将锗（Ge）作为微合金化元素用于制备二元镁合金的可能性²⁹。开尔文探针力显微镜（KPFM）检测到存在不同接触电势区域，并量化了相应的接触电势差（VPD）；然而，仅凭此结果尚无法区分这些区域的元素组成。通过将KPFM与背散射电子扫描电镜（BSE SEM）进行共定位分析（后者可根据原子序数提供元素对比度），如图4中叠加图像所示，可准确识别基体相与Mg₂Ge第二相的相对电化学惰性（即可能发生阳极/阴极行为的位点）。在活性腐蚀过程中，Mg₂Ge第二相被观察到优先发生还原反应，从而使得腐蚀机制由纯镁上广泛分布的丝状腐蚀转变为添加Ge后仅在极少数位点发生的局部腐蚀，显著提升了材料的耐腐蚀性能。

铜-银-钛三元钎焊合金：开尔文探针力显微镜与扫描电镜/能谱分析
钎焊是一种相较于焊接等其他常见金属连接技术而言温度更低的替代方法³⁶。然而，由于钎料内部发生相分离并引发相应的电偶腐蚀，接头性能和使用寿命可能受到影响³⁷，这一点在一项关于使用铜-银-钛（CuSil）和铜-银-铟-钛（InCuSil）钎料连接316L不锈钢试片的对比研究中已有体现³⁰。图5展示了一个典型的铜-银-钛钎焊接头区域，背散射电子扫描电镜（BSE SEM）、能谱分析（EDS）和开尔文探针力显微镜（KPFM）的共定位分析证实，富银相相对于富铜相呈阴极性（即电位更正），电位差约为60 mV，这种相分离及电位差最终导致钎料中富铜区域发生微区电偶腐蚀。然而，观察发现周围的316L不锈钢试片以及钛（Ti）界面润湿层³⁸在开尔文电位上均相对于邻近的钎料合金相呈阳极性。因此，理论上不锈钢基体比钎料更活泼（即更容易被氧化）。但在电偶腐蚀情况下，最不利的情形是小阳极与大阴极接触，因为更大的阴极表面积会加速阳极的溶解。相反，在当前这种由阴极性钎料合金连接阳极性316L不锈钢试片的情况下，较大的阳极与较小的阴极组合应有助于减缓电偶腐蚀的速率。

双相三元钛合金+硼：开尔文探针力显微镜与扫描电镜/能谱分析
含6 at. %铝和4 at. %钒的变形钛合金（Ti-6Al-4V，或Ti64）因其高比强度和优异的耐腐蚀性而成为一种有吸引力的结构合金^39,40,41。特别是由于Ti64具有良好的生物相容性，其在生物医学植入物和器械中得到广泛应用^42,43,44。然而，由于Ti64的刚度高于骨骼，在用于关节置换时可能导致骨质退化和植入物附着不良。已有研究尝试添加硼（B），其在Ti64中的固溶度极限约为0.02 at. %，以调节Ti64的力学性能，使其更接近骨骼特性³¹。但此类硼的添加可能增加合金的腐蚀敏感性，尤其是在如关节置换等生物医学植入物长期接触血浆的情况下。 图6展示了Ti64 + 0.43% B样品的共定位开尔文探针力显微镜（KPFM）、背散射电子扫描电镜（BSE SEM）和能谱（EDS）图谱。在硼含量超过饱和点后形成的富硼TiB针状相（图6A和 图6D）可与周围富铝的Ti64 α相基体（图6C）以及相互连接的富钒Ti64 β相区分开来，其中TiB针状相表现出略高的（即更惰性的）伏打电势（在图6B中更亮），高于β相³¹。 图7说明了由于两种技术的穿透深度和采样体积不同，开尔文探针力显微镜（KPFM）对表面的敏感性显著高于扫描电镜（SEM）。具体而言，当合金表面暴露于模拟人体血浆的溶液并经历后续的动电位循环（ASTM F2129-15标准测试方法用于测定植入器械的腐蚀敏感性）时，尽管次表面微观结构在背散射电子扫描电镜图像（图7A）和能谱图谱（图7C）中仍清晰可见，测得的表面电势却相对均匀（图7B）。相比之下，当将Ti64样品置于强制腐蚀条件下（即高盐浓度和极端阳极电位）时，可通过共定位KPFM、BSE SEM和EDS观察到低硼含量（0.04% B）与高硼含量（1.09% B）样品之间腐蚀行为的差异（图8）。

3D打印三元钛合金：开尔文探针力显微镜与扫描电镜/电子背散射衍射分析
金属及金属合金的增材制造（AM）有望以更低的成本和更快的速度制造出形状更复杂、且对微观结构和性能具有更好控制的部件⁴⁵。在增材制造中使用最广泛的材料之一是Ti64，如上所述。与锻造态Ti64类似，增材制造的Ti64包含两个相：热力学稳定的富铝α相和亚稳态的富钒β相，每个相均表现出多种晶体学取向。表面存在的相类型及其晶体学取向将影响打印部件的腐蚀性能。图2展示了通过电子束熔融粉末床熔合技术制备并经热等静压（HIP）处理后的增材制造Ti64样品的共定位AFM/KPFM、SEM（包括二次电子和背散射电子图像）以及EBSD（α相和β相）图像³²。EBSD揭示的不同晶粒的晶体学取向与KPFM测得的开尔文电势差（VPD）进行共定位分析，以确定哪些取向可能影响增材制造Ti64的腐蚀性能，从而优化打印工艺参数，减少非理想取向或相的形成。KPFM获得的表面形貌图（图2E）和VPD图（图2F）叠加于SEM图像（图2A、B）和EBSD图（图2C、D）中由白色虚线框出的轻微旋转的大方形区域上。图9放大显示了图2A–D中白色实线矩形框出的区域，表明在跨越α-α晶界时测得的VPD取决于两个晶粒之间的相对晶体学取向。此外，α-β相界表现出的相对VPD等于或大于不同取向α-α晶界的VPD。这一点至关重要，因为理论上更高的伏特电势梯度会由于增强的微伽凡尼驱动力而导致更严重的晶间腐蚀速率，提示有必要尽量减少β晶粒的数量及其与α片层的接触点。

用于核燃料包壳的锆合金横截面分析：开尔文探针力显微镜、扫描电镜与拉曼光谱技术
锆（Zr）及其合金因其较低的中子吸收截面和优异的高温抗腐蚀性能，常被用作核反应堆中的燃料包壳材料。然而，由于存在多种潜在的退化机制，如“加速氧化现象”、氢化物引起的脆化以及各种燃料芯块与包壳之间的相互作用，锆合金的使用寿命可能显著缩短，从而增加核反应堆失效的风险⁴⁶。因此，通过开尔文探针力显微镜（KPFM）、扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦扫描拉曼显微镜（该技术可根据拉曼光谱揭示晶体结构差异）的共定位分析，对锆合金的退化机制进行了研究⁴⁷。在此研究中，观察到氧化锆晶体结构（单斜相与四方相）与相对伏打电势之间存在相关性。具体而言，在金属-氧化物界面附近富集的四方相氧化锆（t-ZrO₂）（如图10A-C和图10E-G右侧图中的垂直虚线所示）比体相中富含单斜相的氧化锆（m-ZrO₂）活性显著更高（即更易发生氧化/腐蚀），其伏打电势比后者低约600 mV。这一点在图10A-C中沿ZrO₂/Zr界面的伏打电势差（VPD）和四方相含量百分比的线扫描截面图中清晰可见。此外，研究还发现t-ZrO₂区域相对于金属基底也略显活性（图10A），从而在原本受扩散控制的锆氧化过程中形成了一个p-n结区域，成为氧化过程中的额外步骤。

本研究还进一步证明了开尔文探针力显微镜（KPFM）与互补表征技术共定位分析的应用价值。即使在名义上为“纯”的锆金属中，加工后仍会残留少量铁杂质，从而形成富铁的第二相颗粒（Fe-rich SPPs）。通过KPFM和扫描共焦拉曼光谱成像观察到，在图10E中可见的明亮阴极颗粒所对应的相对开尔文电势显著升高，同时拉曼光谱也发生了明显变化（图10F、G）。该阴极颗粒最初被推测为富铁SPP，但在此情况下，能谱分析（EDS）未能确认铁的存在（图10H）。然而，在图10所示的数据中，表征顺序依次为KPFM、拉曼成像，最后进行SEM/EDS。不幸的是，拉曼成像过程中可能因入射激光功率过高而导致激光束损伤（包括SPP的烧蚀或去除），从而使得后续EDS无法识别这些SPP。本研究通过从顺序表征流程中移除拉曼成像步骤，证实了入射拉曼激发激光的不利影响，最终成功利用共定位的KPFM与SEM/EDS识别出富铁SPP，并发现其相对于周围锆基体的开尔文电势差（VPD）显著升高（见图11A、B中的红色圆圈）。这凸显了用户在使用共定位表征技术时操作顺序的重要性，因为某些技术更可能具有破坏性或影响样品表面状态。具体而言，尽管KPFM本身是非破坏性的，但在KPFM之前进行拉曼或SEM/EDS分析可能会影响开尔文电势的测量结果^18，28。因此，当KPFM与其他可能对表面造成损伤的敏感技术联合使用时，强烈建议优先进行KPFM测量。

图4开尔文探针力显微镜与背散射电子扫描电镜的共定位 (A) 二元 Mg-0.3Ge 合金的背散射电子扫描电镜（BSE SEM）与开尔文探针力显微镜（KPFM）叠加图像，(B) 叠加的KPFM开尔文探针电势图的局部放大 A 显示镁的相对电位₂Ge 二次相（较亮，更惰性）与基体（较暗），以及（C对应虚线区域的开尔文电势线扫描数据 B 显示基质与Mg之间约400 mV的电位差₂Ge第二相。该图改编自Liu等人。²⁹. 比例尺 = (A）10 µm，（B5 µm。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微镜；SEM = 扫描电子显微镜；BSE = 背散射电子。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图5：开尔文探针力显微镜、背散射电子扫描电镜与能谱的共定位分析。（A）Cu-Ag-Ti（CuSil）钎焊接头样品的背散射电子（BSE）扫描电镜图像，以及（B）对应的共定位开尔文探针力显微镜（KPFM）表面电势图像。同一三元合金区域的能谱（EDS）元素分布图也显示了（C）钛（Ti）润湿添加剂、（D）铜（Cu）和（E）银（Ag）。比例尺 = 10 µm。本图引自Kvryan等人的研究³⁰。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微镜；SEM = 扫描电镜；BSE = 背散射电子；EDS = 能量色散光谱。请点击此处查看该图的放大版本。

图6：改性合金中KPFM、BSE SEM和EDS的共定位分析。 Ti-6Al-4V合金中添加0.43% B后形成的富硼针状相的共定位（A）BSE SEM图像与（B）KPFM图像，以及相应的EDS图谱：（C）铝（Al）和（D）硼（B）。SEM图像中的红色框标示了KPFM扫描区域的位置。比例尺 = （A,C,D）40 µm，（B）20 µm。本图改编自Davis等人的研究³¹。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微术；SEM = 扫描电子显微术；BSE = 背散射电子；EDS = 能量色散X射线光谱法。请点击此处查看该图的放大版本。

图7：KPFM与BSE SEM及EDS的表面钝化与差异成像深度。经ASTM F2129-15测试方案处理的Ti-6Al-4V + 1.09% B样品的共定位（A）BSE SEM图像和（B）KPFM图像。KPFM测量结果显示，由于形成了薄钝化层，表面电势比未经ASTM F2129-15测试方案处理的样品更均匀（参见图6）。共定位的（A）BSE SEM图像和（C）EDS图谱（铝，Al；钒，V；硼，B）证实了钝化膜下方显微组织的相组成，并且未发现明显腐蚀攻击迹象。SEM图像中的红框表示对应KPFM扫描的大致位置。比例尺 = （A）40 µm，（C–E）25 mm，（B）20 µm。该图引自Davis等人的研究³¹。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微术；SEM = 扫描电子显微镜；BSE = 背散射电子；EDS = 能量色散光谱。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 8：优先腐蚀的证据。（A,B）原子力显微镜（AFM）形貌图和（C,D）背散射电子（BSE）扫描电镜（SEM）图像，分别对应（A,C,E）含 0.04% B 和（B,D,F）含 1.09% B 的 Ti-6Al-4V 样品，以及相应的（E）铝（Al）和氧（O）和（F）硼（B）和氧（O）的能谱图（EDS）。SEM 图像（C,D）中的红色框表示对应 AFM 图像（A,B）的大致位置。（A,B）AFM 形貌图像中可见的点蚀表明，尽管富钒的亚稳 β 相具有较高的伏特电势，腐蚀仍优先发生于该相内。（B,D,F）还需注意，硼含量较高的样品表现出明显更少且更浅的点蚀。比例尺 =（A,B）20 µm，（E–H）25 mm，（C,D）40 µm。本图引自 Davis 等人³¹。缩写：AFM = atomic force microscopy；SEM = scanning electron microscopy；BSE = back scattered electron；EDS = energy dispersive spectroscopy。请点击此处查看此图的放大版本。

图 9：KPFM、BSE SEM 与 EBSD 的共定位分析。 对 图 2 中实线矩形区域进行的详细 SEM 与 KPFM 分析。通过共定位方法对 α 片层进行表征的技术结果：(A) BSE 成像，(B) AFM 高度传感器（形貌），(C) EBSD（白线表示 α-β 相界，黑线表示确定的晶界），以及 (D) KPFM 开尔文电势。图 A–D 中白色箭头所示超图谱上的线扫描结果分别展示于 (E) EBSD 和 (F) KPFM 开尔文电势。(G) 显示了三种测量条件下开尔文电势相对差异的汇总：i) 单个 α 片层内部，ii) 晶粒取向相近的 α-α 晶界之间，iii) 晶粒取向不同的 α-α 晶界之间。(H) 不同原始-β 取向下的开尔文电势范围（显示一个标准偏差）。比例尺 = (A–D) 5 µm。本图引自 Benzing 等人³²。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微术；SEM = 扫描电子显微术；BSE = 背散射电子；AFM = 原子力显微术；EBSD = 电子背散射衍射。请点击此处查看该图的放大版本。

图10开尔文探针力显微镜、拉曼显微镜、背散射电子扫描电镜和能谱仪的共定位。 氧化并截面处理的样品中KPFM、拉曼显微镜与SEM/EDS的共定位A–D) Zr-2.65Nb 合金和 (E–H) 纯 Zr。从上到下：(A，E) KPFM 表面电势图（左）及对应的代表性 VPD 线扫描结果（右），(B，F) 百分比四方性及 (C，G) 通过拉曼成像确定的单斜相ZrO2峰位分布图（表明存在压应力）及其对应的代表性线扫描结果，以及（D,H) SEM图像及相应的EDS图谱和代表性线扫描结果。所有情况下，线扫描的位置均在相应样品图像中以白色箭头标示。比例尺 = (A10 µm，（D50 µm，（E6 µm，（H) 20 µm。该图改编自 Efaw 等人。⁴⁷缩写：KPFM = 开尔文探针力显微镜；SEM = 扫描电子显微镜；BSE = 背散射电子；EDS = 能量色散光谱。 请点击此处查看此图的放大版本。

图11：无需拉曼显微技术的KPFM、BSE SEM与EDS共定位分析。对氧化态纯锆（破前阶段）截面样品进行的（A）KPFM高度（上图）与开尔文探针力显微镜（Volta电势，下图）图谱，与（B）SEM（上图）及EDS元素分析（下图）的共定位结果。KPFM测试区域由右上角SEM图像中的虚线橙色矩形标示，而KPFM的Volta电势图与EDS的Fe含量分布图中的红色圆圈则表明高电势差（VPD）区域与富铁颗粒之间的相关性。比例尺 = （A）8 µm，（B）25 µm。本图引自Efaw等人的研究⁴⁷。缩写：KPFM = Kelvin探针力显微镜（Kelvin probe force microscopy）；SEM = 扫描电子显微镜（scanning electron microscopy）；BSE = 背散射电子（back scattered electron）；EDS = 能量色散X射线光谱（energy dispersive spectroscopy）。 请点击此处查看该图的放大版本。

补充材料：开尔文探针力显微镜标准操作程序。 请点击此处下载该文件。

讨论

由于开尔文探针力显微镜（KPFM）能够以纳米级分辨率测量表面形貌和接触电势差（VPD），样品制备对于获得高质量的KPFM图像至关重要。本方案部分所述的精细分级抛光步骤是实现金属合金高质量最终表面光洁度的理想起点。此外，在每次抛光后使用光学显微镜检查表面，可确认表面质量的改善情况（例如，可见划痕的数量、尺寸和深度减少），而最后使用振动抛光机则可获得最佳的最终表面质量。最后，在选择抛光介质和清洗方法时，必须考虑溶剂与样品及安装介质之间的相容性。除了仔细的样品制备外，为了实现多种表征技术的共定位分析，还需使用一个共同的参考标记（即基准标记），以指示原始位置以及XY坐标轴方向（即样品取向/旋转）^6,7,32。实现这一目标有多种可行方法。最简单的方法是识别表面上预先存在的、可通过肉眼或借助光学显微镜观察到的独特特征。该方法要有效，所选特征必须具有明确定义且易于识别的原点（例如角落或突起），并表现出清晰的方向性。本文所述的CuSil钎焊样品展现出满足这些要求的微米级特征，使得共定位分析变得直接简便（图1 和 图5）³⁰。此外，两个相分离区域特有的可见颜色为判断其成分（即富铜与富银）提供了线索。或许最理想且最具可重复性的创建基准标记的方法是纳米压痕法，尽管这需要使用独立的纳米压痕仪或与原子力显微镜（AFM）集成的纳米压痕系统。纳米压痕可以有多种排布方式，但最直观的方式是将一个压痕作为原点，另外两个压痕分别沿正交轴对齐，以标示从原点出发的X和Y方向，如增材制造Ti64样品示例所示（图2）³²。最后，基准标记也可通过在表面划痕或标记来建立（例如使用金刚石刻划笔、剃刀片或微操作探针尖端，或使用不褪色墨水或永久性记号笔）。当缺乏明显表面特征和/或无法使用纳米压痕仪时，划痕基准标记可能较为有利；然而，这些方法可能引发问题，特别是在研究腐蚀性能时（例如，划痕可能损伤表面，使其更易发生腐蚀）。若使用划痕作为基准标记，应将划痕置于距离待测表面稍远的位置，以确保划痕不会影响实验结果。同样，墨水污染可能影响材料的腐蚀性能，因此这类方法更适合用于研究除腐蚀以外的其他材料性质。

由于在开尔文探针力显微镜（KPFM）中对表面电势差（VPD）的量化依赖于交流偏压和直流补偿电势的共同施加，因此从样品表面到原子力显微镜（AFM）样品台的路径必须保持电学上的连续性。因此，如果样品以某种方式与样品台电学隔离（例如，其背面有氧化层、沉积在非导电基底上，或被环氧树脂覆盖），则需要建立电连接。一种解决方案是使用银浆（见材料表）从样品的上表面画一条线连接至样品台，确保该连线无断裂，并在成像前完全干燥。也可使用铜箔胶带或导电碳胶带建立类似的电连接。无论采用何种方法建立电连接，在进行KPFM成像前均应使用万用表检测样品台与样品之间的电连续性。

金属表面的氧化或污染会导致测得的表面电势（VPD）发生显著变化。尽量减少样品接触氧气的量，可以减缓表面钝化或退化过程。防止氧化的一种方法是将原子力显微镜（AFM）置于惰性气氛手套箱中。通过用惰性气体（如氩气或氮气）取代富氧的环境，可在较长时间内保持样品表面相对洁净的状态（图3）。使用手套箱的另一个优点是可消除表面吸附水，因为水可能引入溶解的污染物、加速腐蚀或钝化，并由于需要增加抬升高度而降低分辨率（见下文）。此外，已有研究表明测得的表面电势对相对湿度敏感^15,23，因此，若在环境条件下进行开尔文探针力显微镜（KPFM）实验，则监测（并理想情况下报告）相对湿度至关重要。

根据所使用的原子力显微镜（参见材料表）以及开尔文探针力显微镜（KPFM）的实现模式，可用的成像参数和命名方式会有所不同。然而，仍可总结出一些通用准则。KPFM将AFM形貌成像与伏特电势差（VPD）测量相结合，因此获得高质量的形貌图像是至关重要的第一步，需选择合适的设定点，以在最小化针尖-样品作用力（从而降低针尖磨损和样品损伤风险）的同时，仍能通过优化增益与设定点之间的配合，实现对表面形貌的高保真追踪。换言之，无论采用何种形貌成像模式，用户都必须在保证足够表面相互作用与避免损伤样品或探针（特别是金属镀层探针）之间取得平衡。此外，若样品表面污染严重或抛光不佳，探针针尖可能接触到碎屑，导致针尖断裂或产生针尖伪影。还必须避免在KPFM伏特电势通道中出现形貌伪影，这一点在如本文所述的双程扫描KPFM模式下更容易实现。最佳的KPFM成像需要在较低与较高的抬升高度之间取得平衡：随着抬升高度增加，KPFM的横向分辨率下降；而在较低抬升高度下，短程范德华力（正是这些力构成了AFM形貌测量中针尖-样品相互作用的基础）可能引发不稳定性，从而影响对长程静电相互作用的测量。如上所述，在惰性气氛手套箱中操作对此具有积极作用，因为去除表面水层可消除其对针尖-样品相互作用的干扰，从而改善反馈控制，允许使用更低的KPFM抬升高度，提高空间分辨率，同时由于湿度恒定（基本为零）且电荷屏蔽减少，伏特电势差测量的可重复性也得以提升。同样，降低表面粗糙度（即更优的抛光处理）可实现更低的抬升高度，从而提高KPFM分辨率；通常为避免形貌伪影，建议将抬升高度设置为扫描区域内最高高纵横比表面特征的高度近似值。另一个影响最佳抬升高度选择的因素是抬升模式下探针的振幅：较大的振幅可提高对微小伏特电势差的灵敏度，但代价是需要更大的抬升高度，以避免形貌伪影或针尖撞击表面（常表现为抬升扫描相位中的突然尖峰）。表面越平整，在给定振幅下可实现的抬升高度就越低，从而同时提升空间分辨率和伏特电势灵敏度——良好的样品制备至关重要。最后，在采集KPFM图像时应注意到，较大的扫描尺寸虽可覆盖更多样品区域，但会增加扫描时间，因为检测电子系统需要较慢的扫描速率才能准确测量伏特电势。

通过使用开尔文探针力显微镜（KPFM）测得的接触电势差（VPD），可以推断导电材料表面所观察到的微观结构相对电化学活性（例如微电偶、晶间腐蚀、点蚀）。然而，文献中报道的材料绝对伏打电势（即功函数）存在显著差异^18,24,27。这种缺乏可重复性的问题导致了对不同材料体系及其腐蚀行为的误判^23,25。因此，为了确定材料的绝对伏打电势（即功函数），或在不同实验室、探针或不同时间测量的VPD之间进行比较，必须以惰性材料（如金）为基准，对KPFM探针的功函数进行校准^25,48。2019年，部分作者开展的一项研究考察了多种KPFM探针，并展示了这些探针在测量铝-硅-金（Al-Si-Au）标准样品时所得VPD之间的差异。即使对于同一种标称材料和设计的单个探针，其功函数也存在差异（图12）²⁵。作为概念验证，此前提及的采用CuSil钎料连接的316L不锈钢被用作测量绝对VPD或功函数的典型材料。将Kvryan等人2016年的研究数据³⁰与使用多种探针对同一样品获得的KPFM VPD进行比较，并用于分析钎焊接头内部各相的伏打电势。通过使用Al-Si-Au标准样品中的Au区域作为参考功函数对探针功函数进行校准，测得的钎料相VPD重复性提高了超过一个数量级，从数百毫伏（图12A）改善至数十毫伏（图12C）。进一步提高校准精度的方法包括直接测量惰性参考材料的功函数（例如通过光发射光谱或俄歇电子能谱），或使用密度泛函理论计算功函数^25,48。

图12：探针校准对开尔文探针力显微镜（KPFM）伏特电位可重复性的影响。（A）相对于三种不同的PFQNE-AL探针，测得的CuSil钎焊样品中富铜区和富银区的伏特电位差（VPD）。（B）三种探针相对于Al-Si-Au标准样品中金区域的VPD，显示在左侧纵坐标轴上；根据密度泛函理论计算得到的相应修正后PFQNE-AL探针功函数值显示在右侧纵坐标轴上。（C）通过将测量的VPD相对于钎焊样品成像前拍摄的Al-Si-Au标准样品中金区域进行标定，获得富铜区和富银区的绝对VPD。左侧纵坐标轴（根据图C上方公式计算）表示钎焊样品各相与金标准之间的VPD；右侧纵坐标轴（根据图C下方公式计算）表示基于图B中计算得到的探针修正功函数所推导出的各相的修正功函数。本图引自Efaw等人的研究²⁵。缩写：KPFM = 开尔文探针力显微镜；VPD = 伏特电位差。请点击此处查看该图的放大版本。

综上所述，将开尔文探针力显微镜（KPFM）的伏特电势图与先进的扫描电镜（SEM）技术（包括二次电子图像、背散射电子图像、能谱仪元素成分图以及电子背散射衍射反极图）进行共定位分析，有助于揭示材料的结构-性能-功能之间的关系。同样，其他从纳米到微米尺度的表征技术，例如共聚焦拉曼显微镜，也可进行共定位分析，以提供更深入的结构信息。然而，在整合多种表征技术时，样品制备至关重要，需尽量减少表面粗糙度和残留物，并识别或创建可靠的基准标记，以标明样品成像的原点和坐标轴方向（即取向或旋转）。此外，必须考虑某一表征技术对后续测量可能产生的影响；因此，建议优先进行KPFM测试，因其具有非破坏性且对表面污染高度敏感。最后，应尽量减少表面污染物，充分考虑并监控（或更优地消除）测试环境带来的干扰因素（如环境湿度），并对KPFM探针的功函数进行准确校准，以实现文献中KPFM伏特电势测量结果之间可靠且有意义的比较。为此，建议将原子力显微镜（AFM）系统置于惰性气氛手套箱中（若不可行，则采用其他形式的湿度控制或低湿环境），并使用功函数已知且表征完善的金或其他惰性参考材料作为探针校准标准。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
原子力显微镜	Bruker	Dimension Icon	使用 Nanoscope 控制软件，启用 PF-KPFM 模块/密钥
胶体二氧化硅抛光剂	Leco	812-121-300	磨料：0.08 μm（80 nm）。用于金属的终抛光。在制备高分辨率 EBSD 样品时效果优异。
导电银漆，Pelco	Ted Pella	16062	可使用其他具有类似导电性的产品（例如 Pelco #16031 或 16034），但该产品兼具快速常温干燥、低挥发性有机化合物（VOC）、高机械强度、易于清洁/去除以及相对较低的方块电阻：https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx
金刚石悬浮液	Buehler	MetaDi Supreme，多晶金刚石悬浮液	样品抛光的最后步骤。先使用 1 μm，然后过渡到 0.05 μm（50 nm）。
数字万用表	Fluke	Fluke 21 万用表	用于检测原子力显微镜（AFM）样品台/卡盘到样品表面的导通性，确认正确接地和偏压等。
环氧树脂	Buehler	EpoThin 2	树脂与固化剂比例为 4:1。混合后用于样品镶嵌，以辅助抛光和实验。
乙醇	Sigma Aldrich	459828	200 证明，分光光度级。用于抛光后和/或成像前的样品清洗。
惰性气氛手套箱	MBraun	LabMaster Pro MB200B + MB20G 气体纯化装置	定制设计（气密电气穿通、振动隔离、声学噪声和气流最小化等），深度适配 Bruker Dimension Icon 原子力显微镜，配备三个手套，使用氩气气氛
图像重叠软件	Microsoft	PowerPoint	可根据用户熟悉程度选用其他软件。所需基本软件功能包括图像的平移、旋转和缩放，以及理想情况下在叠加 KPFM/其他显微图像时可调节图像透明度。
KPFM 探针	Bruker	PFQNE-AL	也曾尝试使用 Bruker SCM-PIT 和 SCM-PIC 探针，以及 Rocky Mountain Nanotechnology 的实心铂探针，但发现 PFQNE-AL 探针性能更优
KPFM 标准样品	Bruker	PFKPFM-SMPL	8 mm × 8 mm 硅片，表面图案化为 3 × 9 阵列的矩形铝岛（50 nm 厚），周围为金（50 nm 厚）。安装在 15 mm 钢盘上，顶部金层与钢盘电连接。
纳米压痕仪	Hysitron	TS 75	在增材制造的 Ti-6Al-4V 样品上以直角三角形图案进行纳米压痕，以创建共定位成像的原点和 XY 轴。
NanoScope 分析软件	Bruker	版本 2.0	免费的原子力显微镜图像处理与分析软件包，但为专有软件，专为 Bruker 原子力显微镜设计并仅限于其使用；类似功能也可通过 Gwyddion、WSxM 等免费、平台无关的原子力显微镜图像处理与分析软件获得
抛光机	Allied	MetPrep 3	用于悬浮液抛光过程
探针支架	Bruker	DAFMCH	针对所用特定原子力显微镜设计，但必须提供从探针到仪器的直接电通路；DAFMCH 是 Dimension Icon 原子力显微镜的标准接触模式和轻敲模式探针支架，适用于 KPFM
扫描共焦拉曼显微镜	Horiba	LabRAM HR Evolution	配备 442 nm、532 nm 和 633 nm 激发波长/激光器（使用 532 nm 倍频 Nd:YAG）；10x、20x、50x 和 100x Olympus 物镜；50–250 mm 可调共焦针孔，0.8 m 成像光谱仪配备 600 和 1800 线/mm 光栅；TE 冷却 256 × 1024 CCD 阵列探测器；以及 80 mm × 100 mm Marzhauser 电动 XYZ 载物台，具备 DuoScan 镜扫描功能
样品托盘	Ted Pella	16218	产品编号对应 15 mm 直径不锈钢样品托盘。也可在 https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 获取 6 mm、10 mm、12 mm 和 20 mm 直径的型号
扫描电子显微镜	Hitachi	S-3400N-II	位于博伊西州立大学。用于除增材制造（AM）Ti-6Al-4V 外所有样品的共定位 SEM/EDS 分析。
扫描电子显微镜	Zeiss	Leo	场发射 SEM。位于美国国家标准与技术研究院（NIST）科罗拉多州博尔德校区。用于对增材制造 Ti-6Al-4V 样品进行共定位 SEM/EBSD 分析。
碳化硅砂纸（磨料圆盘）	Allied	120 目：50-10005，400 目：50-10025，800 目：50-10035，1200 目：50-10040	在使用任何悬浮液前，将样品依次从 ANSI 标准 120 目抛光至 1200 目。需注意，ANSI 标准 120 目对应欧洲 P120，而 ANSI 标准 1200 目对应欧洲 P4000 —— 即 ANSI（美国工业目数）与欧洲 FEPA（P 级）磨料标准在粗粒度时一致，但在细粒度时数值上存在差异。
超声波清洗器	VWR（Avantor 旗下）	97043-992	用于抛光后通过超声清洗样品。
超纯氮气（UHP N2），99.999%	Norco	SPG TUHPNI - T	超纯（99.999%）压缩氮气 T 型气瓶，用于样品干燥
变速研磨机	Buehler	EcoMet 3000	与碳化硅砂纸配合用于手工研磨。
振动抛光机	Buehler	AutoMet 250 研磨抛光机	用于长时间样品抛光。自动抛光。