Kolokalisierung der Kelvin-Sondenkraftmikroskopie mit anderen Mikroskopien und Spektroskopien: Ausgewählte Anwendungen in der Korrosionscharakterisierung von Legierungen

Die Kelvin-Sondenkraftmikroskopie (KPFM) misst die Oberflächentopographie und Unterschiede im Oberflächenpotential auf der Nanoskala, während die Rasterelektronenmikroskopie (REM) Zusammensetzung, Kristallität und kristallographische Orientierung aufklären kann. Die Kolokalisierung von REM oder anderen Mikroskopietechniken mit KPFM kann eine direkte Identifizierung der Materialstruktur und der Eigenschaftsleistungsbeziehungen ermöglichen, die über eine einzige Technik nicht zugänglich sind. Die Kolokalisierung von REM oder anderen Mikroskopietechniken mit KPFM kann Einblicke in die Auswirkungen der nanoskaligen Zusammensetzung und Oberflächenstruktur auf die Korrosionsinitiierungs- und Ausbreitungsmechanismen geben.

KPFM-Sondenkalibrierung und Treuhänder, die die Region von Interesse, Ursprung und Orientierung markieren, sind entscheidend für den Erfolg dieser Methode. Ein Handschuhfach zur Minimierung der Luftfeuchtigkeit ist ebenfalls sehr vorteilhaft. Olivia Maryon, eine derzeitige Doktorandin im Labor für angewandte elektrische Chemie und Korrosion von Professor Mike Hurley, eine ehemalige AFM-Forscherin aus meinem Labor, wird das Verfahren demonstrieren.

Bereiten Sie zunächst Proben vor, um die dimensionalen Anforderungen des AFM und anderer zu verwendender Charakterisierungswerkzeuge zu erfüllen. Verwenden Sie optische Mikroskopie, um festzustellen, ob die Politur ausreichend ist, und stellen Sie sicher, dass die Probe praktisch keine sichtbaren Kratzer auf der Oberfläche aufweist. Implementieren Sie die gewünschte Kolokalisierungsmethode, um einen Ursprung und Achsen zu erstellen.

Stellen Sie sicher, dass die Probe auf der Unterseite glatt genug ist, um gegen das Probenfuttervakuum der AFM-Stufe abzudichten, eine minimale Oberflächenrauheit ohne lose Ablagerungen aufweist und einen leitenden Weg von der Basis zur Oberseite bietet. Laden Sie dazu die Probe auf das Spannfutter und schalten Sie das Futtervakuum mit dem Ein-Aus-Hebelschalter ein. Tragen Sie eine dünne Linie leitfähiger Silberpaste auf, um einen kontinuierlichen elektrischen Weg von der Probe zum Spannfutter zu schaffen.

Sobald die Silberpaste getrocknet ist, verwenden Sie ein Multimeter, um sicherzustellen, dass die obere Oberfläche der Probe eine gute Kontinuität mit dem Probentisch aufweist. Öffnen Sie die AFM-Steuerungssoftware. Wählen Sie im daraufhin geöffneten Fenster Experiment auswählen die entsprechende Testkategorie, Experimentgruppe und den entsprechenden Test aus.

Klicken Sie dann auf Test laden, um den gewünschten Workflow zu öffnen. Sobald der Experiment-Workflow geöffnet ist, klicken Sie im Workflow auf Setup. Wenn Sie leitfähige Handschuhe tragen, um elektrostatische Entladungen zu verhindern, montieren und befestigen Sie eine leitfähige AFM-Sonde vorsichtig am entsprechenden Sondenhalter.

Installieren Sie den Sondenhalter am AFM-Kopf und achten Sie darauf, dass Sie zuerst statische Ablagerungen entladen, indem Sie die Seite des AFM-Gehäuses berühren, bevor Sie die Löcher am Sondenhalter mit den Kontaktstiften am AFM-Kopf ausrichten. Stellen Sie sicher, dass im Menü Probe Setup (Sonden-Setup) der verwendete Sondentyp angezeigt wird. Klicken Sie bei Bedarf auf Sonde auswählen und wählen Sie den richtigen Sondentyp aus dem Dropdown-Menü aus.

Klicken Sie dann auf Return und speichern Sie die Änderungen. Bringen Sie im Menü Fokusspitze das Ende des Auslegers mithilfe der Aufwärts- und Abwärtspfeile des Fokussteuerelements in den Fokus. Passen Sie die Fokusgeschwindigkeit, den optischen Zoom und die Videobeleuchtung nach Bedarf an.

Richten Sie das Fadenkreuz über der Spitzenposition aus, indem Sie auf das optische Bild an der Stelle klicken, die der Position der Spitze unter dem Ausleger entspricht, basierend auf dem bekannten Rückschlag der Spitze vom distalen Ende des Auslegers. Optimieren Sie mit den Laserausrichtungsknöpfen am AFM-Kopf die Laserausrichtung, indem Sie den Laser auf die Mitte der Rückseite des Sondenauslegers in Richtung des distalen Endes richten und den reflektierten Strahl auf den positionsempfindlichen Detektor (PSD) zentrieren, um die Summenspannung zu maximieren und gleichzeitig die vertikalen und horizontalen Auslenkungen zu minimieren. Wählen Sie im Arbeitsablauf der AFM-Steuerungssoftware das Fenster Navigieren aus, und bewegen Sie die Sonde mithilfe der X-Y-Steuerpfeile der Bühnenbewegung über die Probe.

Bringen Sie die Probenoberfläche mit den Aufwärts- und Abwärtspfeilen der Scanspitze in den Fokus. Verwenden Sie dann erneut die X-Y-Steuerpfeile der Bühnenbewegung, um den angegebenen Ursprung zu lokalisieren und zum gewünschten Bereich zu gelangen. Verwenden Sie die X-Y-Steuerung für die Bühnenbewegung, um ein leicht erkennbares Merkmal direkt unter der Tastspitze zu positionieren.

Sobald Sie das Feature überquert haben, vergrößern und korrigieren Sie die Parallaxe, die durch die seitlich angebrachte Kameraoptik induziert wird, indem Sie in der Symbolleiste auf Kalibrieren klicken und dann Optische und optische SPM-Achsenkolinearität auswählen. Führen Sie die Schritte zur Kolinearitätskalibrierung durch, indem Sie auf Weiter klicken. Richten Sie das Fadenkreuz über demselben Unterscheidungsmerkmal in jedem der angezeigten optischen Bilder aus, bevor Sie auf Fertig stellen klicken.

Klicken Sie dann im Software-Workflow auf Navigieren, um fortzufahren. Suchen Sie den angegebenen Ursprung, und richten Sie die X- und Y-Koordinatenachse entsprechend aus, wobei die Sondenspitze über dem Ursprung zentriert wird. Um eine wiederholbare Navigation zum gewünschten Interessenbereich und eine Kolokalisierung mit anderen Charakterisierungstechniken zu ermöglichen, beachten Sie die X- und Y-Positionswerte, die unten im Softwarefenster angezeigt werden.

Klicken Sie in der Symbolleiste auf Bühne und wählen Sie Verweise festlegen aus. Klicken Sie über dem angegebenen Ursprung unter Ursprung definieren auf Punkt als Ursprung markieren, um die X- und Y-Positionswerte auf Null zu setzen. Bewegen Sie dann die Sonde auf den gewünschten ROI und notieren Sie den Abstand vom Ursprung zum ROI, der als X- und Y-Werte am unteren Bildschirmrand angezeigt wird.

Wenn Sie ein Umgebungssystem verwenden, schließen und verriegeln Sie die akustische Haube beim Schließen des AFM. Wählen Sie das Workflow-Fenster Parameter prüfen aus, und stellen Sie sicher, dass die standardmäßigen anfänglichen Imaging-Parameter akzeptabel sind. Gehen Sie zu den Mikroskopeinstellungen in der Symbolleiste.

Wählen Sie Engage-Einstellungen aus, und stellen Sie sicher, dass die standardmäßigen Engagement-Parameter akzeptabel sind, und ändern Sie sie bei Bedarf. Klicken Sie im Workflow auf die Schaltfläche Interagieren, um auf der Oberfläche zu interagieren. Überwachen Sie den Eingriffsprozess, um sicherzustellen, dass die Spitze richtig einrastet.

Wechseln Sie nach dem Einschalten den Anzeigetyp der Kraftkurve von Kraft versus Zeit zu Kraft versus Z, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Kurve klicken und Anzeigetyp wechseln auswählen. Optimieren Sie die AFM-Topographie und KPFM-Parameter im Fenster Parameter der Scan-Schnittstelle. Nachdem Sie unter Erfassung einen geeigneten Verzeichnispfad und Dateinamen definiert haben, klicken Sie auf Dateiname erfassen.

Klicken Sie auf das Aufnahmesymbol, um die Aufnahme des gewünschten nächsten vollständigen Bildes einzurichten. Klicken Sie dann im Workflow auf Zurückziehen, sobald das Bild erfasst wurde. Stellen Sie sicher, dass die Probe das Laden verhindert.

Wenn die Probe nicht ausreichend leitfähig ist, sollten Sie vor der Bildgebung eine Kohlenstoffbeschichtung in Betracht ziehen. Legen Sie die Probe in die REM-Kammer. Schließen und abpumpen Sie die Kammer.

Schalten Sie den Elektronenstrahl mit der Taste Beam On ein ein und zoomen Sie mit dem Vergrößerungsknopf optisch heraus, um das maximale Sichtfeld der Probenoberfläche zu erhalten. Suchen Sie den angegebenen Ursprung und zoomen Sie dann mit dem Vergrößerungsknopf heran. Richten Sie die X- und Y-Achse entsprechend den Passermarkierungen aus, indem Sie Werte in die Bühnenrotation in den Neigungsoptionen eingeben.

Vergrößern Sie nach Bedarf, erfassen Sie die gewünschten Bilder des angegebenen ROI und speichern Sie die Dateien. Verwenden Sie für jedes Charakterisierungswerkzeug die geeignete Software, um die Rohdaten nach Bedarf zu verarbeiten. Speichern und exportieren Sie die erfassten KPFM- und SEM-Bilder im gewünschten Dateiformat.

Wenden Sie nach dem Öffnen der KPFM-Datendatei eine Ebene erster Ordnung auf den AFM-Topographiekanal der KPFM-Bilder an, um die Probenspitze und -neigung zu entfernen, sowie eine Abflachung erster Ordnung, falls erforderlich, um Line-to-Line-Offsets aufgrund von Sondenverschleiß oder Aufnahme von Schmutz an der Sondenspitze zu kompensieren. Wählen Sie das gewünschte Farbschema oder den gewünschten Farbverlauf für die KPFM-Bilder aus, indem Sie zuerst die Miniaturansicht des potenziellen Kanals links neben dem AFM-Topographiebild auswählen und dann auf die Farbskalenleiste rechts neben der KPFM-Volta-Potentialdifferenzkarte doppelklicken, um das Fenster Bildfarbskala anpassen zur Registerkarte Farbtabelle auswählen zu öffnen. Geben Sie auf der Registerkarte Geänderte Datenskala des Fensters Bildfarbskala anpassen die entsprechenden Mindest- und Maximalwerte im Maßstabsleistenbereich für das KPFM-VPD-Bild ein.

Wiederholen Sie diesen Vorgang für das AFM-Topographiebild, nachdem Sie die Miniaturansicht des Höhensensorkanals erneut ausgewählt haben. Speichern Sie Exporte des verarbeiteten AFM-Topographiebilds und der KPFMV-VPD-Karte in Journalqualität als Bilddateien. Öffnen Sie das verarbeitete AFM-Topographiebild und die KPFM-VPD-Karte zusammen mit dem REM-Rohbild in der Bildbearbeitungssoftware Ihrer Wahl.

Identifizieren Sie den angegebenen Ursprung sowohl in den AFM-KPFM-Daten als auch in den SEM-Bildern. Überlagern Sie die Ursprünge in den beiden Bildern. Richten Sie dann die Bilder mithilfe der X- und Y-Koordinatenachsen rotieren, die durch die ausgewählten Passermarkierungen oder charakteristischen Merkmale gekennzeichnet sind.

Skalieren Sie die Bilder nach Bedarf. Ein asymmetrisches Muster aus drei Nanoeindrücken wurde erstellt und als Passermarker verwendet, um die Kolokalisierung von KPFM und SEM EBSD zu ermöglichen. Der Ursprungseinzug wird in den REM-Bildern durch ein Dreieck angezeigt, wobei die beiden Achseneinzüge durch Kreise gekennzeichnet sind.

Hochauflösende kolokalisierte Bildgebung wurde dann an der Region durchgeführt, die durch das feste Rechteck umrissen wurde. Die Einbeziehung eines der durch einen Kreis markierten Passeinrückungen ermöglichte eine präzise Überlappung der rückgestreuten Elektronen-REM- und AFM-Topographiebilder. Die resultierenden EBSD-Kristallisationsorientierungs- und KPFM-Voltapotentialkarten konnten dann ebenfalls kolokalisiert werden.

Wie die Pfeile zeigen, ermöglichten Linienscans über dieselben Probenregionen in den EBSD- und KPFM-Karten eine Korrelation von Unterschieden in der kristallographischen Orientierung mit kleinen Änderungen des gemessenen Voltapotentials. Konfokale Raman-Mikroskopie zeigte, dass sich das tetragonal reiche Zirkonoxid bevorzugt in der Nähe der Metalloxid-Grenzfläche befand. Kolokalisierte KPFM fanden heraus, dass dieses tetragonal reiche Oxid signifikant aktiver ist als die benachbarte, edlere, monoklin-reiche Zirkonoxidregion.

In ähnlicher Weise zeigte die KPFM-Kartierung über das helle kathodische Partikel, das in das Zirkoniummetall eingebettet ist, einen starken Anstieg des relativen Voltapotentials, der ebenfalls mit einer signifikanten Änderung des Raman-Spektrums korrelierte. Leicht identifizierbare Passermarken in Schritt 2.2 sind der Schlüssel für die Kolokalisierung. Um mögliche Probenschäden oder Verunreinigungen zu vermeiden, sollte KPFM typischerweise vor anderen Charakterisierungsmethoden in Schritt vier durchgeführt werden.

Zusätzlich zu den Elektronen- und Raman-Mikroskopien können andere komplementäre mikro- bis nanoskalige Charakterisierungstechniken, einschließlich der fluoreszenzbasierten Superauflösungsmikroskopie, mit KPFM oder anderen fortschrittlichen Rastersondenmikroskopiemodi kolokalisiert werden. Die Leitung von KPFM in einem feuchtigkeitsarmen Handschuhfach mit inerter Atmosphäre zur Kontrolle von Feuchtigkeit und Oberflächenfeuchtigkeit kann die räumliche Auflösung und Reproduzierbarkeit der gemessenen Voltapotentiale von KPFM verbessern.