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

开尔文探针力显微镜（KPFM）可测量纳米尺度下的表面形貌及表面电势差异，而扫描电子显微镜（SEM）则可用于揭示材料的成分、结晶性及晶体学取向。将SEM或其他显微技术与KPFM进行共定位分析，能够直接识别单一技术无法获取的材料结构与性能之间的关系。SEM或其他显微技术与KPFM的共定位可为纳米级成分和表面结构对腐蚀起始与扩展机制的影响提供深入见解。

KPFM探针校准以及标记感兴趣区域、原点和方向的基准点对于该方法的成功至关重要。使用手套箱以最大限度降低湿度也具有显著优势。本次实验操作将由Olivia Maryon演示，她是Mike Hurley教授应用电化学与腐蚀实验室的在读博士生，也曾是我实验室的本科原子力显微镜研究人员。

首先，制备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。利用光学显微镜判断抛光是否充分，并确保样品表面几乎无可见划痕。采用所需的共定位方法建立原点与坐标轴。

确保样品底部足够平整，能够与原子力显微镜（AFM）载物台的样品夹持器真空口形成密封，表面粗糙度极小且无松散碎屑，同时能从底部到顶面提供导电通路。为此，将样品装载到夹持器上，使用开关杠杆打开夹持器的真空装置。涂抹一条细薄的导电银胶，以在样品与夹持器之间建立连续的电连接。

银浆干燥后，使用万用表检测样品顶面与样品台之间是否具有良好的导通性。打开原子力显微镜（AFM）控制软件。在弹出的“选择实验”窗口中，选择相应的实验类别、实验组别和实验项目。

然后点击“加载实验”以打开所需的实验流程。实验流程打开后，点击流程中的“设置”。在佩戴防静电手套以防止静电放电的情况下，小心地将导电原子力显微镜探针安装并固定在相应的探针 holder 上。

将探针支架安装到原子力显微镜（AFM）探头时，应先触碰AFM外壳侧面以释放任何静电积累，然后将探针支架上的孔与AFM探头上的接触针脚对齐。在“探针设置”菜单中，确认所使用的探针类型已正确显示。如有必要，点击“选择探针”，然后从下拉菜单中选择正确的探针类型。

然后点击返回并保存更改。在焦点提示菜单中，使用焦点控制的上下箭头将悬臂末端调至清晰对焦。根据需要调整对焦速度、光学变焦和视频照明。

根据探针尖端与悬臂末端之间的已知回缩距离，通过在光学图像上点击与悬臂下方探针位置相对应的区域，将十字线对准探针尖端位置。使用原子力显微镜（AFM）探头上的激光对准旋钮，调节激光使其照射到探针悬臂背面靠近远端的中心位置，并将反射光束对准位置敏感探测器（PSD）的中心，以最大化总电压，同时最小化垂直和水平方向的偏转。在AFM控制软件的工作流程中选择“导航”窗口，然后使用载物台移动的X-Y控制箭头将探针移至样品上方。

使用扫描头的上下箭头将样品表面调至焦点。然后再次使用载物台移动的X-Y控制箭头定位指定的原点，并移至目标区域。利用载物台X-Y移动控制，将一个易于识别的特征结构精确置于探针尖端正下方。

经过该特征后，点击工具栏中的“校准”，然后选择“光学”和“SPM 光学轴共线性”，以校正侧置相机光学系统引起的视差。通过点击“下一步”逐步完成共线性校准流程。在每幅呈现的光学图像中，将十字线对准同一显著特征，然后点击“完成”。

然后在软件工作流程中单击“Navigate”以继续。找到指定的原点，并相应地对齐 X 和 Y 坐标轴，使探针尖端位于原点正上方。为了能够重复导航至目标感兴趣区域，并与其他表征技术进行共定位，请记录软件窗口底部显示的 X 和 Y 位置值。

单击工具栏中的“Stage”，然后选择“Set References”。将光标置于指定的原点位置，在“Define Origin”下点击“Mark Point As Origin”，以将 X 和 Y 坐标值归零。然后将探针移至目标 ROI，记录屏幕上显示的从原点到 ROI 的距离，该距离以屏幕底部的 X 和 Y 值表示。

若使用环境系统，请关闭并锁紧原子力显微镜的声学屏蔽罩。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。前往工具栏中的显微镜设置。

选择“Engage 设置”，并确认默认的接触参数是否合适，必要时可进行修改。在工作流程中点击“Engage”按钮以在表面进行接触。监控接触过程，确保探针正确接触表面。

启动后，通过右键点击力曲线并选择“切换显示类型”，将力曲线的显示模式从力-时间改为力-Z。在扫描界面的参数窗口中优化原子力显微镜（AFM）形貌和开尔文探针力显微镜（KPFM）参数。在“采集”部分定义合适的目录路径和文件名后，点击“采集文件名”。

单击捕获图标以设置并获取下一个所需的完整图像。图像捕获完成后，在工作流程中单击“Withdraw”。确保样品无充电现象。

如果样品导电性不足，可考虑在成像前进行碳镀膜。将样品装入扫描电镜腔室。关闭腔室并抽真空。

使用“Beam On”按钮开启电子束，并通过放大倍数调节旋钮进行光学缩小，以获得样品表面的最大视野。找到指定的原点后，再使用放大倍数调节旋钮放大图像。根据定位标记，通过在“Tilt Options”中的台面旋转设置输入数值，校准X轴和Y轴的方向。

根据需要放大，捕获指定感兴趣区域的图像，并保存文件。使用每种表征工具配套的适当软件，按需处理原始数据。将获取的开尔文探针力显微镜（KPFM）和扫描电子显微镜（SEM）图像以所需文件格式保存并导出。

打开KPFM数据文件后，首先对KPFM图像的AFM形貌通道应用一阶平面拟合，以消除样品倾斜和探针倾斜的影响；如有必要，再进行一阶展平处理，以校正因探针磨损或探针尖端沾附污染物所导致的逐行偏移。通过在AFM形貌图像左侧选择电势通道缩略图，然后双击KPFM开尔文电势差图右侧的色标条，打开“图像颜色标尺调整”窗口并切换至“选择颜色表”选项卡，从而为KPFM图像选择所需的颜色方案或渐变。在“图像颜色标尺调整”窗口的“修改数据标尺”选项卡中，为KPFM VPD图像的色标条范围输入合适的最小值和最大值。

重新选择高度传感器通道的缩略图后，对原子力显微镜（AFM）形貌图像重复此过程。将处理后的AFM形貌图像和开尔文探针力显微镜（KPFM）VPD图以图像文件形式导出，保存为适合期刊发表的质量。在所选图像处理软件中，打开处理后的AFM形貌图像和KPFM VPD图，以及原始扫描电子显微镜（SEM）图像。

在原子力显微镜开尔文探针力显微术（AFM KPFM）数据和扫描电子显微镜（SEM）图像中识别指定的原点。将两幅图像中的原点进行叠加，然后利用选定的基准标记或特征结构所确定的X轴和Y轴坐标系对图像进行旋转对齐。

根据需要缩放图像。创建并使用三个纳米压痕的非对称图案作为基准标记，以实现开尔文探针力显微镜（KPFM）与扫描电子显微镜电子背散射衍射（SEM EBSD）的共定位。在扫描电镜图像中，原点压痕用三角形标示，两个轴向的压痕用圆形标示。

随后对实线矩形标出的区域进行高分辨率共定位成像。通过包含一个由圆形标记的基准压痕，可实现背散射电子扫描电镜图像与原子力显微镜形貌图像的精确重叠。由此获得的电子背散射衍射（EBSD）晶体取向图和开尔文探针力显微镜（KPFM）伏特电势图也能够实现共定位。

如箭头所示，通过EBSD和KPFM图谱中相同样品区域的线扫描，可将晶体学取向的差异与测得的伏打电势的微小变化相关联。共聚焦拉曼显微镜显示，富含四方相的氧化锆优先分布在金属氧化物界面附近。共定位KPFM发现，与相邻更惰性的、富含单斜相的块体氧化锆区域相比，该富含四方相的氧化物具有显著更高的活性。

类似地，在锆金属中嵌入的明亮阴极颗粒上进行的开尔文探针力显微镜（KPFM）映射显示，相对伏特电势显著升高，这也与拉曼光谱的明显变化相关。步骤2.2中易于识别的定位标记对于共定位至关重要。为避免样品可能受到损伤或污染，通常应在第四步中优先进行KPFM，再进行其他表征方法。

除了电子显微镜和拉曼显微镜外，其他互补的微米至纳米级表征技术（包括基于荧光的超分辨率显微镜）也可与开尔文探针力显微镜（KPFM）或其他先进的扫描探针显微技术进行共定位分析。在低湿度惰性气氛手套箱中进行KPFM测量，以控制湿度和样品表面水分，可提高KPFM的空间分辨率以及测得的伏打电势的重复性。