Methodenartikel

Bildkorrosion an der Metal-Paint-Schnittstelle mit zeitweiliger Ionenmassenspektrometrie

DOI:

10.3791/59523

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6. Mai 2019

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1Earth and Biological Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 2Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Die Flugzeit wird angewendet, um die chemische Kartierung und Korrosionsmorphologie an der Metall-Lackierschnittstelle einer Aluminiumlegierung zu demonstrieren, nachdem sie einer Salzlösung ausgesetzt wurde, verglichen mit einem Exemplar, das der Luft ausgesetzt ist.

Zusammenfassung

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

Die Korrosion, die an der Farb-und Aluminium-Lackierschnittstelle einer Aluminiumlegierung entwickelt wurde, wird mit der liebseiligen Sekundär-Ionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) analysiert, was zeigt, dass SIMS eine geeignete Technik ist, um die chemische Verteilung an einem Metall-Farbschnittstelle. Die bemalten Al-Legierung-Gutscheine werden in eine Salzlösung getaucht oder nur der Luft ausgesetzt. SIMS bietet chemische Kartierung und 2D-Molekuläre Bildgebung der Schnittstelle an, die eine direkte Visualisierung der Morphologie der Korrosionsprodukte ermöglicht, die an der Metall-Farbschnittstelle gebildet werden, und die Kartierung der Chemikalie nach der Korrosion. Das experimentelle Verfahren dieser Methode wird vorgestellt, um technische Details zur Verfügung zu stellen, um ähnliche Forschung zu ermöglichen und Fallstricke aufzuzeigen, die bei solchen Experimenten auftreten können.

Einleitung

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Al-Legierungen sind in Ingenieurbauwerken, wie in der Schiffstechnik oder im militärischen Automobil, weit verbreitet, was auf ihr hohes Verhältnis, ihre hervorragende Formbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit zurückzuführen ist. Die lokalisierte Korrosion von Al-Legierungen ist jedoch nach wie vor ein häufiges Phänomen, das ihre langfristige Zuverlässigkeit, Langlebigkeitund Integrität unter verschiedenen Umweltbedingungen beeinflusst. Die Lackierung ist das häufigste Mittel, um Korrosion zu verhindern. Die Abbildung der an der Schnittstelle zwischen Metall-und Lackbeschichtung entwickelten Korrosion kann Einblicke in die Ermittlung der geeigneten Abhilfe zur Korrosionsvorbeugung geben.

Die Korrosion von Al-Legierungen kann über mehrere verschiedene Wege erfolgen. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Rasterelektronenmikroskopy-/Energie-Dispersionsregen-Röntgenspektroskopie (SEM/EDX) sind zwei häufig angewandte Oberflächenmikroanalysetechniken zur Korrosionsuntersuchung. XPS kann eine elementare Kartierung bieten, aber keine hellistische molekulare Sichtauf die chemischen oberflächlichen Informationen 2,3, während SEM/EDX morphologische Informationen und elementare Kartierung bietet, aber mit relativ geringer Empfindlichkeit.

ToF-SIMS ist ein weiteres Oberflächenwerkzeug für die chemische Kartierung mit hoher Massengenauigkeit und seitlicher Auflösung. Es hat eine niedrige Grenze der Erkennung (LOD) und ist in der Lage, die Verteilung der Korrosionsarten an der Metall-Lackier-Schnittstelle gebildet zu offenbaren. In der Regel kann die SIMS-Massenauflösung bis zu 5.000-15.000 erreichen, was ausreicht, um die isobarischen Ionen zu unterscheiden 4. Mit seiner submicron räumlichen Auflösung kann ToF-SIMS die Metall-Farbschnittstelle chemisch abbilden und charakterisieren. Es liefert nicht nur morphologische Informationen, sondern auch die seitliche Verteilung molekularer Korrosionsarten an den oberen wenigen Nanometern der Oberfläche. ToF-SIMS bietet ergänzende Informationen zu XPS und SEM/EDX.

Um die Fähigkeit von ToF-SIMS bei der Oberflächencharakterisierung und Abbildung der Korrosionsschnittstelle zu demonstrieren, werden zwei lackierte Al-Legierung (7075) Coupons analysiert, einer nur der Luft und einer einer Salzlösung ausgesetzt (Abbildung 1 und Abbildung 2). Das Korrosionsverhalten an der Metall-Farbschnittstelle zu verstehen, die dem Salzzustand ausgesetzt ist, ist entscheidend, um beispielsweise die Leistung der Al-Legierung in einer Meeresumwelt zu verstehen. Es ist bekannt, dass die Bildung von Al (OH ) 3 während der Exposition von Al mit Meerwasser5 auftritt, aber die Untersuchung der Al-Korrosion fehlt noch nicht vollständig molekulare Identifizierung der Korrosions-und Beschichtungsschnittstelle. In dieser Studie werden die Fragmente von Al (OH)3, darunter Al Oxide (z.B.Al 3O5-) und Oxyhydroxidarten (z.B.Al 3O6H2-), beobachtet und identifiziert. Die Vergleiche von SIMS-Massenspektren ( Abbildung 3) und molekularen Bildern (Abbildung 4)der Negativionen Al3 O5-und Al3 O 6 H2-liefern die molekularen Beleg für die Korrosionsprodukte, die an der Metallfarbenschnittstelle des Salzlösungscoupons entstanden sind. SIMS bietet die Möglichkeit, die komplizierte Chemie an der Metall-Farbschnittstelle aufzuklären, die dazu beitragen kann, die Wirksamkeit von Oberflächenbehandlungen in Al-Legierungen zu beleuchten. In diesem ausführlichen Protokoll zeigen wir diesen effektiven Ansatz bei der Prüfung der Metall-Farbschnittstelle, um neuen Praktikern bei der Korrosionsforschung mit ToF-SIMS zu helfen.

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Protokoll

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1. Korrosionsprobenvorbereitung

  1. Al-Sample-Fixierung in Harz und Polieren
    1. Mit Epoxidharz in 1,25 Zoll metallographischen Musterbechern zwei Al-Legierungstabletten (1 cm x 1 cm) montieren und über Nacht in der Rauchhaube oder bis das Harz vollständig geheilt ist, die Coupons in die Rauchhaube legen oder bis das Harz vollständig geheilt ist.
    2. Die Al-Harz-Zylinder-Tassen aus den Probenbechern herausnehmen. Polnisch die Al-Harz-Zylinder mit 240 Gitterpapier mit Wasser an einer 300 U/min Platen/150 U/min im Halter für 1 min.
    3. Polnisch die Al-Harz-Zylinder mit der Polierplatte mit 15 μm, 6 μm, 3 μm und 1 μm wasserbasierter Lösung für 5 min (pro Schritt), nacheinander.
    4. Die Al-Harz-Zylinder mit deionisiertem Wasser (DI) abspülen und mit Baumwolle abschöpfen.
    5. Die Al-Harz-Zylinder wieder mit Ethanol abspülen und in die chemische Rauchhaube geben, bis sie trocken sind.
      Achtung: Alternativ kann die Probe mit Druckluft oder Stickstoff getrocknet werden.
  2. Vorbereitung der Al-Korrosionsprobe
    1. Die schwarze Farbe 2x auf jeden Al-Harz-Zylinder sprühen und 24 Stunden in der Rauchhaube stehen lassen. Die Farbe ist ca. 100 μm dick.
      Achtung: Die Farbe ist ein kommerzielles Produkt mit Primer in einer Flasche gemischt. Es ist schnell trocknend und rostpräventiv.
    2. Vierzeitlich auf die Oberseite jedes lackierten Al-Harz-Zylinders mit Skalpellen umstellen. Platzieren Sie die Linien in der Mitte der Al-Legierungen.
    3. Tauchen Sie einen Al-Harz-Zylinder in eine pH 8,3 Salzlösung ein, die NaCl, MgSO4, MgCl 2 und KCl enthält, wobei die geschriebene Oberfläche nach unten fällt. Die 10 cm x 10 cm Petrischale mit ihrem Deckel teilweise bedecken.
      NOTE: Die Salzlösung besteht aus 465 mM NaCl, 28 mM MgSO4, 25 mM MgCl 2und 3 mM KCl in 50 mL DI-Wasser, angepasst um 0,1 M NaOH, um etwa pH 8,3 zu erreichen. Die Lösung enthält die wichtigsten Ionen im Meerwasser. Die Leitfähigkeit der Salzlösung beträgt ca. 5,5 S/m. Die Temperatur der Lösung beträgt 72 ° F.
    4. Den anderen Al-Harz-Zylinder mit seiner beschriebenen Oberfläche in eine saubere Petrischale legen und mit dem Deckel bedecken. Halten Sie beide Proben in der chemischen Rauchhaube für 3 Wochen.
  3. Exposition der Korrosionsschnittstelle und Montage der Schnittstelle im Harz
    1. Jeden Al-Harz-Zylinder mit einer Low-Speed-Säge mit einer Diamantklinge in zwei Hälften schneiden, senkrecht zur Mitte der markierten Linien, und die übermäßige Harzkante schneiden.
    2. Montieren Sie alle getrimmten Al-Legierungsstücke in eine 2-Zoll-Musterbecher und bilden Sie eine Montage, indem Sie die Al-Legierungsstücke entlang eines Kreises platzieren, wobei die Metall-Lackierschnittstelle nach oben gerichtet ist. Platten Sie jedes Al-Legierungsstück.
    3. Wiederholungsschritte 1.1.2-1.1.3.
    4. Der Metallfarbenquerschnitt in einem Vibrationspolierer, der mit 0,05 μm kolloidaler Siliziumlösung auf einem Polierpolster für 4 Stunden auf einem Gewicht von 2 Pfund befestigt ist, wird weiter poliert.
    5. Wiederholungsschritte 1.1.4-1.1.5
      Hinweis: Die Fixierungs-und Polierarbeit ist wichtig, um ausreichend SIMS-Signale zu erhalten, da eine unpolierte Oberfläche zu einer geringen Intensität von sekundären Ionen und einer schlechten Massenauflösung bei der SIMS-Analyse führt.
  4. Beschichtung der Probe mit einem Sputter-Lackierer
    1. Legen Sie die polierte Metall-Farbschnittstellenmontage in die Sputterlackkammer mit der Schnittstelle nach oben. Schließen Sie den Deckel des Sputterlackierers und beginnen Sie, die Kammer zu pumpen.
    2. Befolgen Sie das reguläre Sputter-Lacker-Verfahren und legen Sie eine 10 nm Goldschicht (Au) auf der Metall-Lackierschnittstellen-Montage ab.
      Hinweis: Ziel dieser Probenoberflächentechnik ist es, den Ladeeffekt während der SIMS-Analyse zu reduzieren. Ist die Probe leitend, ist dieser Schritt nicht notwendig.

2. Analyse der Metall-Farben-Korrosionsschnittstelle mit ToF-SIMS

  1. Laden der Proben in ToF-SIMS
    1. Montieren Sie die Metallfarbenschnittstellenmontage mit der salzlösungsbehandelten Probe und der luftbelichteten Steuerung am Topmount-Probenhalter mit Schrauben und Clips.
      Hinweis: Der Topmount ist der Name des Probenhalters, der die Probe oben auf dem Probenhalter hält.
    2. Die Verriegelungsschraube an der Lodeschlos-Tür abschrauben und auf den Knopf "Stoppen" im Fpanel-Fenster der grafischen Benutzeroberfläche der ToF-SIMS-Software (GUI) klicken, um die Load-Lock-Kammer zu entlüften.
    3. Öffnen Sie die Lochschlosskammer, indem Sie den Probenübertragungsarm nach rechts schwenken, drehen Sie den Transferarm gegen den Uhrzeigersinn , bis er am Stift des Topmount-Probenhalters befestigt ist, und drehen Sie ihn dann zurück.
    4. Schwingen Sie den Handranm zurück, um die Tür des Lastverschlusses zu schließen und ziehen Sie die Verriegelungsschraube an der Tür, um das Lastschloss zu verschließen.
    5. Klicken Sie auf den Knopf Start im Fpanel-Fenster, um die Sperrkammer bis zu einem Maximum von ~ 1.0E-6 mbar oder darunter zu pumpen.
    6. Klicken Sie auf den Knopf Öffnen im Fpanel-Fenster, um das Tor zwischen der Hauptkammer und dem Lastschloss zu öffnen.
    7. Drücken Sie den mit dem Probenhalter befestigten Probenübertragungsarm in die Hauptkammer. Drehen Sie den Transferarm gegen den Uhrzeigersinn, bis der Probenhalter in die Probenphase in der Hauptkammer gebracht wird.
    8. Ziehen Sie den Transferarm den ganzen Weg zurück und klicken Sie auf den Knopf Schließen am Fpanel-Fenster, um das Tor zwischen der Hauptkammer und dem Lastschloss zu schließen.
    9. Wählen Sie Topmount.shi aus dem Drop-Down-Menü des Pop-up-Fensters, wählen Sie den Beispielhalterund klicken Sie auf OK. Das Bild des Topmount-Musterhalters erscheint auf der rechten Seite der Navigator-Oberfläche .
    10. Warten Sie, bis der Vakuumspiegel der Hauptkammer mindestens 1.0E-8 mbar oder darunter erreicht.
  2. Beginn der Flüssigmetall-Ionenpistole (LMIG) und Ausrichtung des Ionenstrahls
    1. Überprüfen Sie die Boxen der LIMG, Analysatorund Illumination im Power Control Fenster, um die Flüssigmetall-Ionenpistole (LIMG), Analysator und Lichtquelle nach der Übertragung der Proben in die Hauptvakuumkammer zu versorgen.
    2. Klicken Sie auf das Kästchen von LMIG , das im Fpanel-Fenster angezeigt wird, um die LMIG-Einstellung zu aktivieren.
    3. Wählen Sie die vordefinierte Datei der Spektrometrie-Einstellungen im Pop-up-Fenster der Ladeeinstellungen aus und klicken Sie auf Öffnen.
      Hinweis: Bi3+ wird als primärer Ionenstrahl ausgewählt. Die LMIG Energie ist auf 25 kV eingestellt. Die LIMG-Chopper-Breite ist auf 25 ns eingestellt. Die anderen Einstellungen einschließlich des Emissionsstroms 1.0 μA; Der Heizwert liegt bei 2,75 A; Der Unterpressor ca. 800-1000 V; Der Auszug 10 kV; Die Objektivquelle 3,3 kV; Die Zykluszeit 100 μs; Der Massenbereich 1-870 u. Die Einstellungen können je nach Instrumentenmodell, der Restlaufzeit des LMIG und dem Erfassungsbedarf für bestimmte Proben variieren.
    4. Wählen Sie LMIG im Pop-up-Fenster der Kategorien zum Laden, klicken Sie auf den Auswahlknopf und klicken Sie auf OK.
      Hinweis: Es dauert ca. 5 Minuten, um das LIMG komplett zu starten.
    5. Wählen Sie Positiv aus dem Drop-Down-Menü des Instrumenteneinbaues im Fpanel, um die zu erkennenden Ionen zu ermitteln.
      Hinweis: Wählen Sie Negatives aus dem Drop-Down-Menü, wenn negative Ionen gemessen werden sollen.
    6. Wählen Sie die vordefinierte Datei der Analysator-Einstellungen aus, nachdem Sie auf den Knopf der Ladeeinstellungen im Fpanel klicken, um den Analysator zu aktivieren.
      Hinweis: Die Analyserschleunung ist auf 9,5 kV eingestellt; Die Analysenergie ist auf 2 kV eingestellt; Der Detektor ist auf 9 kV eingestellt. Die Einstellungen des Analysators können aufgrund der Konfiguration verschiedener SIMS-Modelle variieren.
    7. Wählen Sie Faraday Cup aus dem Drop-Down-Menü der Cursor-Position in der Navigator-Oberfläche . Klicken Sie auf Go , um die Bühne zum Faraday Cup zu verschieben.
      Hinweis: Bewegen Sie die Bühne auf den Faraday-Becher für die Zielstrommessung.
    8. Wählen Sie die Micro-Ansicht aus der Drop-Down-Liste des Videos in der Navigator-GUI aus, um die Position des Faraday-Bechers anzuzeigen.
    9. Klicken Sie auf die Mitte des Faraday-Bechers unter der Micro-Ansicht in der Navigator-Oberfläche und wählen Sie die Position Drive to Marked aus dem Drop-Down-Menü aus, nachdem Sie mit der rechten Maustaste auf das SE/SI-Primary Gun Fenster im Navigator klicken. Gui.
    10. Wählen Sie 20 μm x 20 μm aus dem Drop-Down-Menü von Specify Raster Field of View nach einem Rechtsklick auf das SE/SI-Primary Gun Fenster in der Navigator-GUI.
    11. Klicken Sie auf den Knopf C aus dem Gun-Sub-Tab unter dem LIMG-Tab im Instrumentenfenster , um den Ionenstrahl automatisch auszurichten.
    12. Klicken Sie auf die Startknopf und klicken Sie auf das Feld von DC aus dem Pulsing-Subtab unter dem LMIG-Tab, um den Zielstrom zu messen.
    13. Klicken Sie auf das X Blanking aus dem Focus-Subtab unter dem LIMG-Reiter und drehen Sie das Mausrad, um den Zielstrom zu maximieren. Klicken Sie auf das Y Blanking aus dem gleichen Tab, um den Zielstrom zu maximieren.
      Hinweis: Der Zielstrom des Ionenstrahls, der unter dem Massenspektrometrie-Modus gemessen wird, sollte größer als 14 nA sein, oder größer als 0,5 pA, wenn Bi3+ ausgewählt wird, um die gewünschte Intensität der Ionensignale zu erreichen.
    14. Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp-Taste aus dem Sub-Tab Focus, um die Messung des Zielstroms zu stoppen.
  3. Anpassung des Strahlschwerpunkts im Interessengebiet
    1. Drücken Sie die Z-Taste auf dem Joystick-Bedienfeld und drücken Sie den Joystick nach unten, bis der Absaugkegel über der Oberseite der Metall-Lackierschnittstellen-Montage liegt.
      Hinweis: Es ist wichtig, eine Kollision zwischen dem Absaugkegel und den Proben zu vermeiden, wenn Sie diesen Schritt durchführen.
    2. Drücken Sie die Tasten X und Y auf dem Joystick und bewegen Sie den Joystick left/rechts und nach oben, um die Interface-Montage zu bringen, bis sie in der Macro-Ansicht in der Navigator-Oberfläche angezeigt wird.
    3. Wechseln Sie zur Micro-Ansicht in der Navigator-Oberfläche , um die Region zu finden, die von Interesse ist (ROI) der Metal-Lack-Schnittstelle.
    4. Setzen Sie den ROI auf 300 μm x 300 μm, nachdem Sie mit der rechten Maustaste auf das SE/SI-Primärgonn-Fenster geklickt haben, um das Feld der Ansicht zu erweitern.
    5. Wählen Sie den Signaltyp SI, die Rastergröße 128 x 128 Pixel undden Raster-Typ Random aus der SE/SI-Primärgun in der Navigator-GUI .
    6. Klicken Sie auf den schwarzen Dreiecks-Knopf und den Adjust SI-Knopf im SE/SI-Primary Gun Fenster. Die runde Form des sekundären Ions (SI)-Bildes des ROI wird im SE/SI Primary Gun Fenster angezeigt.
    7. Drücken Sie die Z-Taste auf dem Joystick-Bedienfeld. Bewegen Sie den Joystick nach oben oder unten, um die runde Form des SI-Bildes in die Mitte des Kreuzhaares im SE/SI-Primärgewinnenfenster zu bringen.
      NOTE: Wenn sich das Kreuzhaar in der Mitte der runden Form des SI-Bildes befindet, zeigt es an, dass das Bild mit gutem Fokus gewonnen wird.
    8. Deaktivieren Sie den Adjust-SI-Knopf und klicken Sie auf den Quadrat-Button im SE/SI-Primärgewinnenfenster, um die Fokuseinstellung zu stoppen.
  4. Beseitigung der Oberflächenbeschichtung und Verunreinigung mit dem Hochstrom-mode/DC-Modus
    1. Wählen Sie das SE-Bild aus dem Drop-Down-Menü des SE/SI-Primary Gun-Fensters aus, um den Gleichstromreinigungsfortschritt zu beobachten.
    2. Klicken Sie auf das Feld von DC im Fpanel und klicken Sie auf den schwarzen Dreieck-Knopf, um die Gleich-Reinigung zu starten.
      Hinweis: Halten Sie die Gleichstromtrübe für 10 s an oder bis das SE-Bild anzeigt, dass die Goldschicht entfernt wird. Die Dauer der Gleichstromreinigung kann je nach Dicke der Beschichtung variieren.
    3. Klicken Sie auf den schwarzen Quadratzenknopf, um die Gleichstromreinigung zu stoppen, wenn Sie die Goldbeschichtung beobachten, wird über die Micro-Ansicht in der Navigator-Oberfläche entfernt.
    4. Schalten Sie das SE-Bild in der Navigations-Oberfläche auf das SI-Bild um.
      Hinweis: Der Grund für die Verwendung eines Gleichstromstrahls liegt darin, dass der Gleichstromstrahl (~ 14 nA) stark genug ist, um die Au-Beschichtung und andere Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, während der gepulste Strahlstrom (~ 1 pA) nicht ausreichend ist.
  5. Die Aktivierung der Flächenentgelte mit einer Hochwasserpistole
    1. Überprüfen Sie die Flood Gun Box im Fpanel, um den Ladungsausgleich zu ermöglichen.
    2. Klicken Sie auf den Knopf Einstelldatei im Flatelfeld laden. Wählen Sie die vordefinierte Datei der Hochwasserpistolen, nachdem Sie auf die Ladeeinstellungen klicken, um die Einstellungen der Hochwasserpistole zu laden.
      Hinweis: Die Einstellungen der Hochwasserpistole umfassen: Energie von 20 V, eine Anode von 300 V, eine Verzögerung von 2,0 μs, ein Hochwassergewehr-Filamentstrom von 2,4 A und eine Hochwasserpistole führen von 2,0 μs ab. Die Einstellungen der Hochwasserpistole können für verschiedene Instrumente variieren.
    3. Wiederholungsschritte 2.3.6-2.3.7, um den Fokus auf den ROI anzupassen.
      Achtung: Sobald die Au-Beschichtung entfernt wird, ändert sich die Höhe des ROI. Daher ist es notwendig, den Fokus neu zu gestalten.
    4. Klicken Sie auf den Reflektor aus der TOF-Subleiste des Analyzer/Main Tab im Instrumentenfenster.
    5. Klicken Sie auf den Wert auf der linken Seite des Balkens des Reflektors , um die Spannung des Reflektors zu verringern, bis die runde Form des SI-Bildes verschwindet. Dann erhöhen Sie die Reflektorspannung um 20 V.
      Hinweis: Dieser Prozess wird durchgeführt, um eine flache Bildfläche und maximale SI-Signale zu gewährleisten. Im Negativmodus erhöhen Sie die Reflektorspannung, bis die runde Form des SI-Bildes verschwindet, und bringen es dann 20 V herunter.
    6. Wiederholungsschritt 2.3.8, um die Fokussierung und Reflektorspannung zu stoppen.
  6. Übernahme des hochauflösenden Massenspektrums
    1. Klicken Sie auf die Symbole des Spektrums und des Bildes im Fpanel, um die Frequenz-und Bildprogramme zu öffnen.
    2. Zeigt den gewählten ROI der Metall-Farbschnittstelle in der Micro-Ansicht an.
    3. Klicken Sie auf den Dreiecks-Knopf in der Navigator-Oberfläche , um einen schnellen Scan zu starten, und ein SIMS-Spektrum wird im Spectrum-Programm angezeigt; Klicken Sie auf das schwarze Quadrat, um den Schnellscan zu stoppen.
      Hinweis: Der Schnellscan sollte nur mehrere Scans in Anspruch nehmen und in der Regel nur wenige Sekunden dauern.
    4. Wählen Sie die Massenkalibrierung aus der Drop-Down-Liste des Spektrums in der Werkzeugleiste des Spectrum-Programms aus oder drücken Sie einfach F3, um das Massenkalibrierungsfenster nach dem Schnellscan zu öffnen.
    5. Wählen Sie erkannte Spitzen aus, um das Massenspektrum zu kalibrieren, indem Sie auf die entsprechenden Spitzen klicken, die Formel im Massenkalibrierungsfenster hinzufügen und auf OK klicken , um das Massenkalibrierungsfenster zu verlassen, wenn die Peak-Auswahl abgeschlossen ist.
      Hinweis: Für die Kalibrierung des positiven Massenspektrums werden CH 3 +,C 3H3+und AlOH+ ausgewählt ; Während OH- und CN ¬ und AlO- für die Kalibrierung des negativen Massenspektrums ausgewählt werden. Die für die Massenkalibrierung ausgewählten Spitzen können für verschiedene Proben variieren. Die Abweichung der ausgewählten Spitzen beträgt weniger als 30 ppm, um eine genaue Peak-Identifikation zu gewährleisten.
    6. Fügen Sie die Interessenspitzen in die Liste der Spitzenwerte ein, indem Sie auf den Peak der ausgewählten Ionen im Spektrum klicken und auf den Knopf "Peak hinzufügen" in der Werkzeugleiste klicken.
    7. Klicken Sie auf den roten Dreiecks-Knopf im Fpanel, um das Fenster "Messung starten" zu öffnen.
    8. Setzen Sie den Rastertyp auf Random, 128 x 128 Pixelund 1 shot/Pixel, setzen Sie die Anzahl der Scans auf 60 Scans im Pop-up-Fenster und klicken Sie auf OK , um die Massenfrequenzaufnahme des ROI zu starten.
      Hinweis: Die Massenfrequenz-Erfassung wird automatisch gestoppt, nachdem die gewünschte Anzahl von Scans erworben wurde.
    9. Klicken Sie auf Datei im Fpanel speichern, um das erworbene Massenspektrum zu speichern und mit einem bestimmten Dateinamen zu benennen (z.B. Salzlösungsbehandelte, luftbelichtete).
    10. Schalten Sie die Polarität in der Fpanel auf Negativ um und wiederholen Sie Schritte 2.5.3-2.6.9, um das negative Massenspektrum für den gleichen ROI zu erwerben.
      NOTE: Für die positiven und negativen Polaritäten dieser Studie wurden SIMS-Massenspektren von vier verschiedenen ROIs jeder Probe erworben.
  7. Einsparung der analysierten ROI-Position für zusätzliche Analysen
    1. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Hinzufügen" in der Navigator-Oberfläche und geben Sie den Namen des ROI im Pop-up-Fenster ein (z.B. Salzlösung 1).
    2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Stage Pos und klicken Sie auf den OK-Button, um den ROI-Standort zu speichern.
      Hinweis: Die ROI-Position wird für eine zusätzliche SIMS-Bildanalyse gespeichert.
  8. Erwerb eines hochauflösenden SIMS-Bildes
    1. Klicken Sie auf den Knopf Einstelldatei laden im Fpanel und wählen Sie die vordefinierte Bildeinstellungsdatei. Klicken Sie auf Öffnen, um die Bildeinstellungen zu laden.
      Hinweis: Die höchste seitliche Auflösung oder die kleinste Punktgröße wird im kolliklimatisierten Modus (z.B. DC-Modus) optimiert. In diesem Modus bestimmt die kleinste Blende in der Beamline den Winkel der Blende. Je nach Konfigurationseinstellung des ToF-SIMS ist die höchste seitliche Auflösung, wenn der Gleichstrom etwa 50 pA beträgt und der Fokus etwa 100 nm erreichen kann. Um diese Auflösung zu erreichen, erhöhen Sie die Lensquelle, während Sie den nach unten gehenden Gleichstrom beobachten, und optimieren Sie den X Blanking und Y Blanking, bis der letzte Gleichstrom 50 pA erreicht. Im Folgenden finden Sie die detaillierten Parametereinstellungen des Bildgebungsmodus. Als primärer Ionenstrahl wird Bi3 + ausgewählt. Die LMIG Energie ist auf 25 kV eingestellt. Die LIMG-Chopper-Breite wird auf 100 ns und der Chopper-Offset auf 30,9 ns eingestellt. Die anderen Einstellungen beinhalten einen Emissionsstrom von 1,0 μA; Der Heizwert liegt bei 2,75 A; Der Unterpressor ca. 800-1000 V; Der Auszug 10 kV; Die Linsenquelle 3,5 kV; Die Zykluszeit 100 μs; Der Massenbereich 1-870 u.
    2. Wählen Sie LMIG in den Pop-up-Kategorien , um das Fenster laden .
    3. Wiederholen Sie Schritte 2.2.7-2.2.14, um den Zielstrom zu messen und den Ionenstrahl auszurichten.
      Hinweis: Der gewünschte Zielstrom im Bildgebungsmodus sollte größer als 0,6 nA oder etwa 1 pA sein, wenn Bi3 + für die Messung ausgewählt wird.
    4. Wählen Sie die gespeicherte ROI-Position aus der Drop-Down-Liste der Cursor-Position in der Navigator-Oberfläche . Klicken Sie auf Go.
      Achtung: Dieser Schritt sorgt dafür, dass das Massenspektrum und die Bildkartografschaft aus dem gleichen ROI aufgenommen werden.
    5. Wiederholen Sie Schritte 2.5.4 und 2.5.5, um die Reflektorspannung einzustellen.
    6. Wiederholungsschritte 2.6.3-2.6.6, die Massenkalibrierung im Bildmodus durchzuführen.
      Hinweis: Wenn die Software die ausgewählten Spitzen bei der Massenkalibrierung nicht registrieren kann, klicken Sie auf das Kästchen Kanal im Massenkalibrierungsfenster .
    7. Wiederholen Sie Schritte 2.6.7 und 2.6.8, um die Bilddaten zu sammeln.
      Hinweis: Setzen Sie im Bildgebungsmodus den Raster-Typ auf Random, 256 x 256 Pixelund 1 shot/Pixel, setzen Sie die Anzahl der Scans auf 150 Scans, und klicken Sie auf OK , um die Bildaufnahme des ROI zu starten. Die Bildauflösung und der Scan können unterschiedlich sein und sie sollten je nach Probe bestimmt werden.
  9. Abholung der Probe aus der Vakuumkammer
    1. Wählen Sie Transfer aus der Drop-Down-Liste der Cursor-Position in der Navigator-Oberfläche und klicken Sie auf die Go-Taste, um die Probebühne in die Nähe des Tores zu bringen.
    2. Öffnen Sie das Tor, indem Sie den Schritt 2.1.6 wiederholen.
    3. Drücken Sie den Probenübertragungsarm in die Hauptkammer und drehen Sie die Armstange im Uhrzeigersinn und nach vorne, bis sie am Stift des Probenhalters befestigt ist.
    4. Drehen Sie den Transferarm zurück und ziehen Sie ihn den ganzen Weg zurück.
    5. Schließen Sie das Tor, indem Sie auf den Knopf Schließen auf dem Fpanel klicken und wählen Sie keinen Musterhalter im Pop-up-Menü Sample Holder Fenster .
    6. Die Verriegelungsschraube an der Tür des Lastverschlusses abschrauben und auf den Knopf Stop in der Flatel klicken, um das Lockenschloss auszuschalten.
      Achtung: Die Anmietung dauert ca. 3-5 min.
    7. Schwingen Sie den Transferarm nach rechts und drehen Sie die Transferarmstange gegen den Uhrzeigersinn, um den Probenhalter freizusetzen.
    8. Schwingen Sie den Transferarm nach hinten und ziehen Sie die Verriegelungsschraube an der Tür des Lastverschlusses fest.
    9. Klicken Sie auf die Starttaste im Fpanel, um das Lastschloss herunterzupumpen.
    10. Die Harzmontage der Metallfarbe aus dem Probenhalter abnehmen und in eine saubere Petrischale geben.
  10. LIMG abschalten
    1. Klicken Sie auf "Stoppen" LMIG aus dem Subtablett unter dem LMIG-Tab im Instrumentenfenster.
    2. Deaktivieren Sie die Boxen von LMIG und Flood Gun im Feingang und deaktivieren Sie das Kästchen Beleuchtung im Power-Fenster .

3. Analyse der ToF-SIMS-Daten

  1. Export der SIMS-Spektrumdaten
    1. Klicken Sie auf die Datei in der Symbolleiste des Spectrum-Programm-Fensters und wählen Sie Export aus der Dropdown-Liste.
    2. Nennen Sie die Frequenzdatei, speichern Sie sie im angegebenen Ordner als .txt-Datei und klicken Sie auf OK.
    3. Geben Sie die Nummer 10 im Pop-up-Fenster ein, um den Binn-Kanal zu definieren und klicken Sie auf OK.
      Hinweis: 10 Kanäle vor dem Export der Massenspektren zu beninnen, ist eine häufig verwendete Methode, um die Datengröße zu reduzieren und dabei die Massenauflösung und Genauigkeit zu behalten.
    4. Exportieren Sie die SIMS-Bilddaten.
    5. Klicken Sie auf das Bild-Programm-Symbol und doppelklicken Sie auf die erfassten Bilddateien, um die SIMS-Bilder anzuzeigen.
    6. Ziehen Sie das Bild einer bestimmten chemischen Spezies von der Liste in das Bildfenster und klicken Sie mit einem Doppelklick auf das Bild, um das Bildprozessfenster unten zu öffnen.
    7. Normalisieren Sie das Bild der ausgewählten chemischen Spezies zu den Bildern der Gesamt-Ionen, indem Sie Normalisieren aus der Drop-Down-Liste des Bildprozessfensters wählen.
    8. Verwenden Sie die gleiche Farbskala, um die chemische Verteilung zwischen verschiedenen Proben zu vergleichen, indem Sie die Farbskala im Bildprozessfenster einstellen.
      Hinweis: Die Rohdaten der Bilder können mit einer anderen grafischen Software exportiert und gezeichnet werden.

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Ergebnisse

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Abbildung 3 stellt den Vergleich von Massenspektren zwischen der mit Salzlösung behandelten Metall-Lackierschnittstelle und der Luftschnittstelle dar. Die Massenspektren der beiden Proben wurden mit einem 25 kV Bi3+ Ionenstrahl in 300 μm x 300 μm ROIs aufgenommen. Die Massenauflösung (m/m) der Salzlösungsbehandlung betrug etwa 5.600 auf dem Gipfel von m/z-26. Die Rohdaten der Massenspektren wurden nach dem Binnen von 10 Kanälen exportiert. Eine grafische Soft...

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Diskussion

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ToF-SIMS unterscheidet die Ionen je nach Flugzeit zwischen zwei Sfilitillatoren. Die Topografie oder Probenrauheit beeinflusst die Flugzeit der Ionen aus unterschiedlichen Ausgangspositionen, was in der Regel zu einer schlechten Massenauflösung mit erhöhter Speckbreite führt. Daher ist es wichtig, dass die zu analysierenden ROIs sehr flach sind, um eine guteSignalsammlung 8 zu gewährleisten.

Eine weitere Fallgrube, die es zu vermeiden gilt, ist die Aufladung. Da die Al-...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Danksagungen

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Diese Arbeit wurde durch das QuickStarter-Programm finanziert, das vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) unterstützt wird. PNNL wird von Battelle für die US-DOE betrieben. Diese Arbeit wurde mit dem IONTOF ToF-SIMS V durchgeführt, der sich in der Biological Sciences Facility (BSF) in PNNL befindet. JY und X-Y Yu würdigten auch die Unterstützung der Abteilung Atmospheric Sciences & Global Change (ASGC) und der Direktion Physical and Computational Sciences (PCSD) an der PNNL.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
0,05 &Mikro; m Polierlösung aus kolloidalem SiliziumdioxidLECO812-121-300Polierlösung
1 &Mikro; m PolierlösungPace TechnologiesPC-1001-GLBPolierlösung auf Wasserbasis
15 & micro; m PolierlösungPace TechnologiesPC-1015-GLBRPolierlösung auf Wasserbasis
3 & micro; m PolierlösungPace TechnologiesPC-1003-GLGPolierlösung auf Wasserbasis
6 & micro; m PolierlösungPace TechnologiesPC-1006-GLYPolierlösung auf Wasserbasis
BalanceMettler Toledo11106015Es wird zum Messen von Chemikalien verwendet.
Epothin 2 EpoxidhärterBuehler20-3442-064Wird zum Gießen von Probenhalterungen
verwendet Epothin 2 EpoxidharzBuehler20-3440-128Wird zum Gießen von Probenhalterungen verwendet
Schneller Proteinflüssigkeitschromatographie (FPLC) LeitfähigkeitssensorAmersham AKTA FPLCWird verwendet, um die Leitfähigkeit der Salzlösung zu messen.
Final B PadAllied90-150-235Verwendet für 1 & Micro; m und 0,05 µ M  Polierschritte
KCl Sigma-AldrichP9333Wird zur Herstellung der Salzlösung verwendet.
NiedergeschwindigkeitssägeBuehler Isomet11-1280-160Wird zum Schneiden der Al-Coupons verwendet, die im Epoxidharz fixiert sind.
MgCl2Sigma-Aldrich63042Wird zur Herstellung der Salzlösung verwendet.
MgSO4Sigma-AldrichM7506Es wird zur Herstellung der Salzlösung verwendet.
NaClSigma-AldrichS7653Es wird verwendet, um die Salzlösung herzustellen.
NaOHSigma-Aldrich306576Es wird zur Einstellung des pH-Werts der Salzlösung verwendet.
FarbeRost-Oleum 245217universelle, glänzend schwarz gehämmerte Allzweck-Sprühfarbe. Es wird zum Aufsprühen der Al-Coupons verwendet.
Pan-W PolierpadLECO809-505Verwendet für 15, 6 und 3 & Mikro; m Polierschritte
pH-MeterFisher Scientific13-636-AP72Es wird zur Messung des pH-Werts der Salzlösung verwendet.
Pipette Thermo Fisher Wissenschaftlich Bereich: 10 bis 1.000 & Mikro; L
Pipettenspitze 1Neptun 2112.96.BS 1.000 & Mikro; L
Pipettenspitze 2Rainin1700186520 µ L
Siliziumkarbid-PapierLECO810-251-PRMSchleifpapier, Körnung 240
Sputter-CoaterCressington108 Sputter-CoaterEs wird zum Beschichten der Probe verwendet.  
Tegramin-30 Halbautomatische PoliermaschineStruers6036127Grob-/Feinpolieren/Schleifen
ToF-SIMSIONTOF GmbH, Mü nster, DeutschlandToF-SIMS V, ausgestattet mit Bi-Flüssigmetall-Ionenkanone und FlutkanoneEs wird verwendet, um Massenspektren und Bilder einer Probe aufzunehmen.
Vibromet 2 GleitpoliererBuehler67-1635-160Letzter Polierschritt

Referenzen

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  2. Liu, M., et al. A first quantitative XPS study of the surface films formed, by exposure to water on Mg and on the Mg-Al intermetallics: Al3Mg2 and Mg17Al12. Corrosion Science. 51 (5), 1115-1127 (2009).
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  10. Stingeder, G. Quantitative distribution analysis of B, As and Sb in the layer system SiO2/Si with SIMS: elimination of matrix and charging effects. Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie. 327 (2), 225-232 (1987).
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Schlagwörter

Time of Flight Secondary Ion Mass SpectrometryToF SIMSMetal Paint InterfaceCorrosion AnalysisChemical MappingSurface Ion ImagingAluminum AlloySalt Solution ExposureSecondary Ion Mass SpectrometrySurface Sensitivity

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