Co-localización de la microscopía de fuerza de la sonda Kelvin con otras microscopías y espectroscopias: aplicaciones seleccionadas en la caracterización de la corrosión de aleaciones

La microscopía de fuerza de la sonda Kelvin, o KPFM, mide la topografía de la superficie y las diferencias en el potencial de superficie a escala nanométrica, mientras que la microscopía electrónica de barrido, o SEM, puede dilucidar la composición, la cristalinidad y la orientación cristalográfica. La colocalización de SEM u otras técnicas de microscopía con KPFM puede permitir la identificación directa de la estructura del material, las relaciones de rendimiento de la propiedad inaccesibles a través de una sola técnica. La colocalización de SEM u otras técnicas de microscopía con KPFM puede proporcionar información sobre los efectos de la composición a nanoescala y la estructura de la superficie en los mecanismos de iniciación y propagación de la corrosión.

La calibración de la sonda KPFM y los fiduciarios que marcan la región de interés, origen y orientación son cruciales para el éxito de este método. Una guantera para minimizar la humedad también es altamente beneficiosa. Demostrando el procedimiento estará Olivia Maryon, una estudiante de doctorado actual en el laboratorio de química eléctrica aplicada y corrosión del profesor Mike Hurley, una ex investigadora de AFM de pregrado de mi laboratorio.

Para comenzar, prepare las muestras para cumplir con los requisitos dimensionales del AFM y otras herramientas de caracterización que se emplearán. Utilice microscopía óptica para determinar si el pulido es suficiente y asegúrese de que la muestra prácticamente no tenga arañazos visibles en la superficie. Implemente el método de colocalización deseado para crear un origen y ejes.

Asegúrese de que la muestra sea lo suficientemente suave en la parte inferior para sellar contra el vacío de mandril de muestra de la etapa AFM, exhiba una rugosidad superficial mínima sin residuos sueltos y proporcione una ruta conductora desde la base hasta la superficie superior. Para ello, cargue la muestra en el mandril y encienda la aspiradora del mandril con el interruptor de la palanca de encendido. Aplique una línea delgada de pasta de plata conductora para proporcionar una trayectoria eléctrica continua desde la muestra hasta el mandril.

Una vez que la pasta de plata se haya secado, use un multímetro para asegurarse de que la superficie superior de la muestra tenga una buena continuidad con la etapa de muestra. Abra el software de control AFM. En la ventana Seleccionar experimento que se abre, seleccione la categoría de experimento, el grupo de experimentos y el experimento adecuados.

A continuación, haga clic en Cargar experimento para abrir el flujo de trabajo deseado. Una vez que se haya abierto el flujo de trabajo del experimento, haga clic en Configuración en el flujo de trabajo. Mientras usa guantes conductores para evitar descargas electrostáticas, monte y asegure cuidadosamente una sonda AFM conductora en el soporte de la sonda apropiado.

Instale el soporte de la sonda en el cabezal AFM, teniendo cuidado de descargar primero cualquier acumulación estática tocando el lateral de la carcasa AFM antes de alinear los orificios del soporte de la sonda con los pines de contacto en el cabezal AFM. En el menú Configuración de sonda, asegúrese de que se muestra el tipo de sonda que se está utilizando. Si es necesario, haga clic en Seleccionar sonda y elija el tipo de sonda correcto en el menú desplegable.

A continuación, haga clic en Retorno y guarde los cambios. En el menú Sugerencia de enfoque, enfoca el extremo del voladizo con las flechas arriba y abajo del control de enfoque. Ajuste la velocidad de enfoque, el zoom óptico y la iluminación de vídeo según sea necesario.

Alinee la cruz sobre la ubicación de la punta haciendo clic en la imagen óptica en la ubicación correspondiente a la posición de la punta debajo del voladizo en función del retroceso conocido de la punta desde el extremo distal del voladizo. Usando las perillas de alineación láser en el cabezal AFM, optimice la alineación láser apuntando el láser hacia el centro de la parte posterior del voladizo de la sonda hacia el extremo distal y centrando el haz reflejado en el detector sensible a la posición, o PSD, para maximizar el voltaje de suma y minimizar las deflexiones verticales y horizontales. Seleccione la ventana Navegar en el flujo de trabajo del software de control AFM y mueva la sonda sobre la muestra utilizando las flechas de control X-Y del movimiento de escenario.

Enfoque la superficie de la muestra con las flechas hacia arriba y hacia abajo del cabezal de escaneo. A continuación, utilice de nuevo las flechas de control X-Y del movimiento de escenario para localizar el origen designado y desplazarse a la región de interés. Utilice el control X-Y de movimiento de escenario para colocar una función fácilmente identificable directamente debajo de la punta de la sonda.

Una vez sobre la función, amplíe y corrija el paralaje inducido por la óptica de la cámara montada lateralmente haciendo clic en Calibrar en la barra de herramientas y seleccionando Óptica y óptica SPM Axis Colinearity. Siga los pasos de calibración de colinearidad haciendo clic en Siguiente. Alinee el punto de mira sobre la misma característica distintiva en cada una de las imágenes ópticas presentadas antes de hacer clic en Finalizar.

A continuación, haga clic en Navegar en el flujo de trabajo del software para continuar. Localice el origen designado y alinee los ejes de coordenadas X e Y en consecuencia, centrando la punta de la sonda sobre el origen. Para permitir la navegación repetible a la región de interés deseada y la colocalización con otras técnicas de caracterización, tenga en cuenta los valores de posición X e Y que se muestran en la parte inferior de la ventana del software.

Haga clic en Escenario en la barra de herramientas y seleccione Definir referencias. Mientras está sobre el origen designado, haga clic en Marcar punto como origen en Definir origen para poner a cero los valores de ubicación X e Y. A continuación, mueva la sonda al ROI deseado y observe la distancia desde el origen hasta el ROI que se muestra como los valores X e Y en la parte inferior de la pantalla.

Si utiliza un sistema ambiental, cierre y bloquee la campana acústica para cerrar el AFM. Seleccione la ventana de flujo de trabajo Comprobar parámetros y asegúrese de que los parámetros de imagen iniciales predeterminados sean aceptables. Vaya a la configuración del microscopio en la barra de herramientas.

Seleccione Engage Settings (Configuración de Engage) y asegúrese de que los parámetros de engage predeterminados sean aceptables, modificándolos si lo desea. Haga clic en el botón Participar en el flujo de trabajo para participar en la superficie. Supervise el proceso de participación para asegurarse de que la punta se activa correctamente.

Una vez activado, cambie el tipo de pantalla de la curva de fuerza de fuerza versus tiempo a fuerza versus Z haciendo clic derecho en la curva y seleccionando Cambiar tipo de pantalla. Optimice la topografía AFM y los parámetros KPFM en la ventana Parámetros de la interfaz de escaneo. Después de definir una ruta de directorio y un nombre de archivo adecuados en Capturar, haga clic en Nombre de archivo de captura.

Haga clic en el icono de captura para configurar la captura de la siguiente imagen completa deseada. A continuación, haga clic en Retirar en el flujo de trabajo una vez que se haya capturado la imagen. Asegúrese de que la muestra inhibe la carga.

Si la muestra no es lo suficientemente conductora, considere el recubrimiento de carbono antes de la obtención de imágenes. Cargue la muestra en la cámara SEM. Cierre y bombee hacia abajo la cámara.

Encienda el haz de electrones con el botón Beam On y aleje ópticamente usando la perilla de aumento para obtener el campo de visión máximo de la superficie de la muestra. Localice el origen designado y, a continuación, amplíe con la perilla de aumento. Oriente los ejes X e Y de acuerdo con los marcadores fiduciales introduciendo valores en la rotación de la etapa en Opciones de inclinación.

Amplíe según sea necesario, capture las imágenes deseadas del ROI designado y guarde los archivos. Utilice el software adecuado para cada herramienta de caracterización para procesar los datos sin procesar según sea necesario. Guarde y exporte las imágenes KPFM y SEM adquiridas en el formato de archivo deseado.

Después de abrir el archivo de datos KPFM, aplique un ajuste plano de primer orden al canal de topografía AFM de las imágenes KPFM para eliminar la punta e inclinación de la muestra, así como un aplanamiento de primer orden si es necesario para compensar cualquier desplazamiento de línea a línea debido al desgaste de la sonda o la recogida de residuos en la punta de la sonda. Seleccione el esquema de color o degradado deseado para las imágenes KPFM seleccionando primero la miniatura del canal potencial a la izquierda de la imagen de topografía AFM y luego haciendo doble clic en la barra de escala de color a la derecha del mapa de diferencia de potencial KPFM Volta para abrir la ventana Ajuste de escala de color de imagen en la pestaña Elegir tabla de colores. En la pestaña Escala de datos modificada de la ventana Ajuste de escala de color de imagen, introduzca los valores mínimos y máximos adecuados en el rango de barras de escala para la imagen KPFM VPD.

Repita este proceso para la imagen de topografía AFM después de volver a seleccionar primero la imagen en miniatura del canal del sensor de altura. Guarde las exportaciones con calidad de diario de la imagen topográfica AFM procesada y el mapa VPD KPFMV como archivos de imagen. Abra la imagen de topografía AFM procesada y el mapa KPFM VPD, junto con la imagen SEM sin procesar, en el software de manipulación de imágenes de su elección.

Identifique el origen especificado tanto en los datos KPFM de AFM como en las imágenes SEM. Superponga los orígenes en las dos imágenes. Luego, alinee rotacionalmente las imágenes utilizando los ejes de coordenadas X e Y designados por los marcadores fiduciales elegidos o rasgos característicos.

Escale las imágenes según sea necesario. Se creó un patrón asimétrico de tres nano sangrías y se utilizó como marcadores fiduciales para permitir la colocalización de KPFM y SEM EBSD. La sangría de origen se indica en las imágenes SEM mediante un triángulo con las sangrías de los dos ejes indicadas por círculos.

Luego se realizaron imágenes colocalizadas de alta resolución en la región delineada por el rectángulo sólido. La inclusión de una de las sangrías fiduciales marcadas por un círculo permitió la superposición precisa de las imágenes topográficas SEM y AFM de electrones retrodispersados. La orientación cristalográfica EBSD resultante y los mapas potenciales de KPFM Volta también podrían colocalizarse.

Como indican las flechas, los escaneos lineales en las mismas regiones de muestra en los mapas EBSD y KPFM permitieron la correlación de las diferencias en la orientación cristalográfica con pequeños cambios en el potencial de Volta medido. La microscopía Raman confocal mostró que el óxido de circonio rico en tetragonales se localizó preferentemente cerca de la interfaz de óxido metálico. KPFM colocalizado encontró que este óxido rico en tetragonal es significativamente más activo que la región adyacente de óxido de circonio más noble y rica en monoclínicos a granel.

Del mismo modo, el mapeo KPFM a través de la partícula catódica brillante incrustada en el metal de circonio mostró un gran aumento en el potencial relativo de Volta, que también se correlacionó con un cambio significativo en el espectro Raman. Las marcas fiduciarias fácilmente identificables en el paso 2.2 son clave para la colocalización. Para evitar posibles daños o contaminación de la muestra, KPFM generalmente debe realizarse antes que otros métodos de caracterización en el paso cuatro.

Además de las microscopías electrónicas y Raman, otras técnicas complementarias de caracterización a nanoescala, incluida la microscopía de súper resolución basada en fluorescencia, pueden colocalizarse con KPFM u otros modos avanzados de microscopía de sonda de barrido. La realización de KPFM en una guantera de atmósfera inerte de baja humedad para controlar la humedad y la humedad superficial puede mejorar la resolución espacial de KPFM y la reproducibilidad de los potenciales de volta medidos.