Colocalisation de la microscopie à force de sonde Kelvin avec d’autres microscopies et spectroscopies : applications sélectionnées dans la caractérisation de la corrosion des alliages

La microscopie à force de sonde Kelvin, ou KPFM, mesure la topographie de surface et les différences de potentiel de surface à l’échelle nanométrique, tandis que la microscopie électronique à balayage, ou MEB, peut élucider la composition, la cristalinité et l’orientation cristallographique. La colocalisation du MEB ou d’autres techniques de microscopie avec KPFM peut permettre une identification directe de la structure du matériau, des relations de performance des propriétés inaccessibles via une seule technique. La colocalisation du MEB ou d’autres techniques de microscopie avec KPFM peut fournir un aperçu des effets de la composition et de la structure de surface à l’échelle nanométrique sur les mécanismes d’initiation et de propagation de la corrosion.

L’étalonnage de la sonde KPFM et les fiduciaires marquant la région d’intérêt, l’origine et l’orientation sont essentiels au succès de cette méthode. Une boîte à gants pour minimiser l’humidité est également très bénéfique. Olivia Maryon, étudiante au doctorat au laboratoire de chimie électrique appliquée et de corrosion du professeur Mike Hurley, ancienne chercheuse de premier cycle de l’AFM de mon laboratoire, fera la démonstration de la procédure.

Pour commencer, préparez des échantillons pour répondre aux exigences dimensionnelles de l’AFM et des autres outils de caractérisation à utiliser. Utilisez la microscopie optique pour déterminer si le vernis est suffisant et assurez-vous que l’échantillon n’a pratiquement aucune rayure visible sur la surface. Implémentez la méthode de colocalisation souhaitée pour créer une origine et des axes.

Assurez-vous que l’échantillon est suffisamment lisse sur le fond pour sceller le vide de mandrin de l’étage AFM, présente une rugosité de surface minimale sans débris lâches et fournit un chemin conducteur de la base à la surface supérieure. Pour ce faire, chargez l’échantillon sur le mandrin et allumez l’aspirateur à mandrin à l’aide de l’interrupteur à levier marche. Appliquez une fine ligne de pâte d’argent conductrice pour fournir un chemin électrique continu de l’échantillon au mandrin.

Une fois la pâte d’argent séchée, utilisez un multimètre pour vous assurer que la surface supérieure de l’échantillon a une bonne continuité jusqu’à l’étape de l’échantillon. Ouvrez le logiciel de contrôle AFM. Dans la fenêtre Sélectionner une expérience qui s’ouvre, sélectionnez la catégorie d’expérience, le groupe d’expériences et l’expérience appropriés.

Cliquez ensuite sur Charger l’expérience pour ouvrir le workflow souhaité. Une fois le workflow d’expérimentation ouvert, cliquez sur Configuration dans le workflow. Lorsque vous portez des gants conducteurs pour éviter les décharges électrostatiques, montez et fixez soigneusement une sonde AFM conductrice sur le support de sonde approprié.

Installez le support de sonde sur la tête AFM, en prenant soin de décharger d’abord toute accumulation statique en touchant le côté du boîtier AFM avant d’aligner les trous du porte-sonde avec les goupilles de contact sur la tête AFM. Dans le menu Configuration de la sonde, assurez-vous que le type de sonde utilisé est affiché. Si nécessaire, cliquez sur Sélectionner une sonde et choisissez le type de sonde approprié dans le menu déroulant.

Cliquez ensuite sur Retour et enregistrez les modifications. Dans le menu Info-bulle, mettez au point l’extrémité du porte-à-faux à l’aide des flèches haut et bas du contrôle de mise au point. Ajustez la vitesse de mise au point, le zoom optique et l’éclairage vidéo selon vos besoins.

Alignez le réticule sur l’emplacement de la pointe en cliquant sur l’image optique à l’emplacement correspondant à la position de la pointe sous le porte-à-faux en fonction du recul connu de la pointe par rapport à l’extrémité distale du porte-à-faux. À l’aide des boutons d’alignement laser sur la tête AFM, optimisez l’alignement laser en orientant le laser sur le centre de l’arrière du porte-à-faux de la sonde vers l’extrémité distale et en centrant le faisceau réfléchi sur le détecteur sensible à la position, ou PSD, pour maximiser la tension totale tout en minimisant les déflexions verticales et horizontales. Sélectionnez la fenêtre Naviguer dans le workflow du logiciel de contrôle AFM et déplacez la sonde sur l’échantillon à l’aide des flèches de commande X-Y du mouvement de la scène.

Faites la mise au point de la surface de l’échantillon à l’aide des flèches de tête de balayage vers le haut et vers le bas. Utilisez ensuite à nouveau les flèches de contrôle X-Y du mouvement de la scène pour localiser l’origine désignée et vous déplacer vers la région d’intérêt. Utilisez la commande X-Y du mouvement de scène pour positionner une fonction facilement identifiable directement sous la pointe de la sonde.

Une fois la fonction terminée, effectuez un zoom avant et corrigez la parallaxe induite par l’optique de la caméra montée latéralement en cliquant sur Calibrer dans la barre d’outils, puis en sélectionnant Colinéarité de l’axe SPM optique et optique. Suivez les étapes d’étalonnage de la colinéarité en cliquant sur Suivant. Alignez le réticule sur la même caractéristique distinctive dans chacune des images optiques présentées avant de cliquer sur Terminer.

Cliquez ensuite sur Naviguer dans le flux de travail du logiciel pour continuer. Localisez l’origine désignée et alignez les axes de coordonnées X et Y en conséquence, en centrant la pointe de la sonde sur l’origine. Pour permettre une navigation reproductible vers la région d’intérêt souhaitée et la colocalisation avec d’autres techniques de caractérisation, notez les valeurs de position X et Y affichées au bas de la fenêtre du logiciel.

Cliquez sur Scène dans la barre d’outils, puis sélectionnez Définir les références. Lorsque vous êtes au-dessus de l’origine désignée, cliquez sur Marquer le point comme origine sous Définir l’origine pour mettre à zéro les valeurs d’emplacement X et Y. Déplacez ensuite la sonde vers le retour sur investissement souhaité et notez la distance entre l’origine et le retour sur investissement affiché sous forme de valeurs X et Y en bas de l’écran.

Si vous utilisez un système ambiant, fermez et verrouillez le capot acoustique en fermant l’AFM. Sélectionnez la fenêtre de workflow Vérifier les paramètres et assurez-vous que les paramètres initiaux par défaut de la création d’image sont acceptables. Accédez aux paramètres du microscope dans la barre d’outils.

Sélectionnez Paramètres d’engagement et assurez-vous que les paramètres de validation par défaut sont acceptables, en les modifiant si vous le souhaitez. Cliquez sur le bouton Engager dans le flux de travail pour vous engager sur la surface. Surveillez le processus d’engagement pour vous assurer que le conseil s’engage correctement.

Une fois engagé, basculez le type d’affichage de la courbe de force de force en fonction du temps à la force par rapport à Z en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la courbe et en sélectionnant Changer de type d’affichage. Optimisez la topographie AFM et les paramètres KPFM dans la fenêtre Paramètres de l’interface de numérisation. Après avoir défini un chemin d’accès au répertoire et un nom de fichier appropriés sous Capture, cliquez sur Nom du fichier de capture.

Cliquez sur l’icône de capture pour configurer la capture de la prochaine image complète souhaitée. Cliquez ensuite sur Retirer dans le flux de travail une fois l’image capturée. Assurez-vous que l’échantillon inhibe la charge.

Si l’échantillon n’est pas suffisamment conducteur, envisager un revêtement au carbone avant l’imagerie. Chargez l’échantillon dans la chambre SEM. Fermez et pompez la chambre.

Allumez le faisceau d’électrons à l’aide du bouton Faisceau activé et effectuez un zoom arrière optique à l’aide du bouton d’agrandissement pour obtenir le champ de vision maximal de la surface de l’échantillon. Localisez l’origine désignée, puis effectuez un zoom avant à l’aide du bouton d’agrandissement. Orientez les axes X et Y en fonction des marqueurs fiduciaires en entrant des valeurs dans la rotation de la scène dans Options d’inclinaison.

Zoomez si nécessaire, capturez les images souhaitées du retour sur investissement désigné et enregistrez les fichiers. Utiliser un logiciel approprié pour chaque outil de caractérisation afin de traiter les données brutes au besoin. Enregistrez et exportez les images KPFM et SEM acquises dans le format de fichier souhaité.

Après avoir ouvert le fichier de données KPFM, appliquez un ajustement de plan de premier ordre au canal topographique AFM des images KPFM pour supprimer la pointe et l’inclinaison de l’échantillon, ainsi qu’un aplatissement de premier ordre si nécessaire pour compenser les décalages ligne à ligne dus à l’usure de la sonde ou à la collecte de débris sur la pointe de la sonde. Sélectionnez le jeu de couleurs ou le dégradé souhaité pour les images KPFM en sélectionnant d’abord la vignette de canal potentiel à gauche de l’image de topographie AFM, puis en double-cliquant sur la barre d’échelle de couleurs à droite de la carte de différence de potentiel KPFM Volta pour ouvrir la fenêtre Ajustement de l’échelle de couleurs de l’image dans l’onglet Choisir la table des couleurs. Dans l’onglet Échelle de données modifiée de la fenêtre Ajuster l’échelle de couleur de l’image, entrez les valeurs minimales et maximales appropriées dans la plage de barres d’échelle pour l’image VPD KPFM.

Répétez ce processus pour l’image topographique AFM après avoir resélectionné l’image miniature du canal du capteur de hauteur. Enregistrez les exportations de qualité journal de l’image topographique AFM traitée et de la carte VPD KPFMV en tant que fichiers image. Ouvrez l’image topographique AFM traitée et la carte VPD KPFM, ainsi que l’image MEB brute, dans le logiciel de manipulation d’image de votre choix.

Identifiez l’origine spécifiée dans les données AFM KPFM et les images SEM. Superposez les origines dans les deux images. Alignez ensuite les images en rotation à l’aide des axes de coordonnées X et Y désignés par les marqueurs fiduciaires ou caractéristiques choisis.

Redimensionnez les images selon vos besoins. Un motif asymétrique de trois nano-retraits a été créé et utilisé comme marqueurs fiduciaires pour permettre la colocalisation de KPFM et SEM EBSD. Le retrait d’origine est indiqué dans les images SEM par un triangle avec les deux axes indiqués par des cercles.

Une imagerie colocalisée à haute résolution a ensuite été réalisée sur la région délimitée par le rectangle plein. L’inclusion d’un des retraits fiduciaires marqués par un cercle a permis un chevauchement précis des images topographiques SEM et AFM d’électrons rétrodiffusés. L’orientation cristallographique EBSD résultante et les cartes potentielles KPFM Volta pourraient alors également être colocalisées.

Comme l’indiquent les flèches, les balayages linéaires sur les mêmes régions d’échantillonnage dans les cartes EBSD et KPFM ont permis de corréler les différences d’orientation cristallographique avec de petits changements dans le potentiel Volta mesuré. La microscopie confocale Raman a montré que l’oxyde de zirconium riche en tétragonales était préférentiellement situé près de l’interface de l’oxyde métallique. KPFM colocalisé a constaté que cet oxyde riche en tétragonales était significativement plus actif que la région adjacente d’oxyde de zirconium en monoclinique plus noble.

De même, la cartographie KPFM à travers la particule cathodique brillante incorporée dans le zirconium métal a montré une forte augmentation du potentiel relatif de Volta, qui était également corrélée à un changement significatif dans le spectre Raman. Les marques fiduciaires facilement identifiables à l’étape 2.2 sont essentielles à la colocalisation. Pour éviter d’éventuels dommages ou contaminations à l’échantillon, KPFM doit généralement être effectué avant les autres méthodes de caractérisation de la quatrième étape.

En plus des microscopies électroniques et Raman, d’autres techniques complémentaires de caractérisation à l’échelle micro à nanométrique, y compris la microscopie à super résolution basée sur la fluorescence, peuvent être colocalisées avec KPFM ou d’autres modes avancés de microscopie à sonde à balayage. La conduite de KPFM dans une boîte à gants à atmosphère inerte à faible humidité pour contrôler l’humidité et l’humidité de surface peut améliorer la résolution spatiale de KPFM et la reproductibilité des potentiels Volta mesurés.