Co-localizzazione della microscopia Kelvin Probe Force con altre microscopie e spettroscopie: applicazioni selezionate nella caratterizzazione della corrosione delle leghe

La microscopia a forza della sonda Kelvin, o KPFM, misura la topografia superficiale e le differenze nel potenziale superficiale su scala nanometrica, mentre la microscopia elettronica a scansione, o SEM, può chiarire la composizione, la cristallinità e l'orientamento cristallografico. La colocalizzazione di SEM o altre tecniche di microscopia con KPFM può consentire l'identificazione diretta della struttura del materiale, relazioni di prestazioni di proprietà inaccessibili tramite una singola tecnica. La colocalizzazione di SEM o di altre tecniche di microscopia con KPFM può fornire informazioni sugli effetti della composizione su scala nanometrica e della struttura superficiale sui meccanismi di innesco e propagazione della corrosione.

La calibrazione della sonda KPFM e i fiduciali che segnano la regione di interesse, origine e orientamento sono cruciali per il successo di questo metodo. Anche un vano portaoggetti per ridurre al minimo l'umidità è molto utile. A dimostrare la procedura sarà Olivia Maryon, una studentessa di dottorato nel laboratorio di chimica elettrica applicata e corrosione del professor Mike Hurley, ex ricercatrice universitaria AFM del mio laboratorio.

Per iniziare, preparare i campioni per soddisfare i requisiti dimensionali dell'AFM e altri strumenti di caratterizzazione da impiegare. Utilizzare la microscopia ottica per determinare se lo smalto è sufficiente e assicurarsi che il campione non abbia praticamente graffi visibili sulla superficie. Implementare il metodo di colocalizzazione desiderato per creare un'origine e degli assi.

Assicurarsi che il campione sia abbastanza liscio sul fondo da sigillare contro il vuoto del mandrino del campione dello stadio AFM, presenti una rugosità superficiale minima senza detriti sciolti e fornisca un percorso conduttivo dalla base alla superficie superiore. Per fare ciò, caricare il campione sul mandrino e accendere il vuoto del mandrino utilizzando l'interruttore a leva on off. Applicare una sottile linea di pasta d'argento conduttiva per fornire un percorso elettrico continuo dal campione al mandrino.

Una volta che la pasta d'argento si è asciugata, utilizzare un multimetro per garantire che la superficie superiore del campione abbia una buona continuità con la fase del campione. Aprire il software di controllo AFM. Nella finestra Seleziona esperimento visualizzata, seleziona la categoria, il gruppo di esperimenti e l'esperimento appropriati.

Quindi fare clic su Carica esperimento per aprire il flusso di lavoro desiderato. Una volta aperto il flusso di lavoro dell'esperimento, fai clic su Imposta nel flusso di lavoro. Indossando guanti conduttivi per evitare scariche elettrostatiche, montare con cura e fissare una sonda AFM conduttiva sul supporto della sonda appropriato.

Installare il portasonda sulla testa AFM, avendo cura di scaricare prima eventuali accumuli statici toccando il lato della custodia AFM prima di allineare i fori sul supporto della sonda con i perni di contatto sulla testa AFM. Nel menu Impostazione sonda, assicurarsi che sia visualizzato il tipo di sonda utilizzato. Se necessario, fare clic su Seleziona sonda e scegliere il tipo di sonda corretto dal menu a discesa.

Quindi fai clic su Restituisci e salva le modifiche. Nel menu Punta attiva, metti a fuoco l'estremità del cantilever utilizzando le frecce su e giù del controllo della messa a fuoco. Regolare la velocità di messa a fuoco, lo zoom ottico e l'illuminazione video in base alle esigenze.

Allineare il mirino sulla posizione della punta facendo clic sull'immagine ottica nella posizione corrispondente alla posizione della punta sotto il cantilever in base alla nota battuta d'arresto della punta dall'estremità distale del cantilever. Utilizzando le manopole di allineamento laser sulla testa AFM, ottimizzare l'allineamento laser puntando il laser sul centro della parte posteriore della sonda a sbalzo verso l'estremità distale e centrando il fascio riflesso sul rilevatore sensibile alla posizione, o PSD, per massimizzare la tensione somma riducendo al minimo le deflessioni verticali e orizzontali. Selezionare la finestra Naviga nel flusso di lavoro del software di controllo AFM e spostare la sonda sul campione utilizzando le frecce di controllo X-Y del movimento dello stage.

Mettere a fuoco la superficie del campione utilizzando le frecce della testa di scansione su e giù. Quindi utilizzare nuovamente le frecce di controllo X-Y del movimento dello stage per individuare l'origine designata e spostarsi nella regione di interesse. Utilizzare il controllo X-Y del movimento dello stadio per posizionare una feature facilmente identificabile direttamente sotto la punta della sonda.

Una volta sopra la funzione, ingrandire e correggere la parallasse indotta dall'ottica della telecamera montata lateralmente facendo clic su Calibra nella barra degli strumenti, quindi selezionando Colinearità asse SPM ottico e ottico. Eseguire i passaggi di calibrazione della colinearità facendo clic su Avanti. Allineare il mirino sulla stessa caratteristica distintiva in ciascuna delle immagini ottiche presentate prima di fare clic su Fine.

Quindi fare clic su Naviga nel flusso di lavoro del software per continuare. Individuate l'origine designata e allineate gli assi delle coordinate X e Y di conseguenza, centrando la punta della sonda sull'origine. Per consentire la navigazione ripetibile nella regione di interesse desiderata e la colocalizzazione con altre tecniche di caratterizzazione, notare i valori di posizione X e Y mostrati nella parte inferiore della finestra del software.

Fate clic su Stage nella barra degli strumenti e selezionate Imposta riferimenti (Set References). Mentre si trova sopra l'origine designata, fate clic su Contrassegna punto come origine (Mark Point As Origin) in Definisci origine (Define Origin) per azzerare i valori di posizione X e Y. Quindi spostare la sonda sul ROI desiderato e annotare la distanza dall'origine al ROI visualizzata come valori X e Y nella parte inferiore dello schermo.

Se si utilizza un sistema ambientale, chiudere e bloccare la cappa acustica in chiusura dell'AFM. Selezionare la finestra Controlla parametri flusso di lavoro e verificare che i parametri iniziali di imaging predefiniti siano accettabili. Vai alle impostazioni del microscopio nella barra degli strumenti.

Selezionare Impostazioni di coinvolgimento e assicurarsi che i parametri di coinvolgimento predefiniti siano accettabili, modificandoli se lo si desidera. Fare clic sul pulsante Interagisci nel flusso di lavoro per interagire sulla superficie. Monitora il processo di coinvolgimento per assicurarti che la punta si impegni correttamente.

Una volta attivato, cambia il tipo di visualizzazione della curva di forza da forza contro tempo a forza contro Z facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla curva e selezionando Cambia tipo di visualizzazione. Ottimizzare la topografia AFM e i parametri KPFM nella finestra Parametri dell'interfaccia di scansione. Dopo aver definito il percorso di directory e il nome del file appropriati in Acquisizione, fare clic su Acquisisci nome file.

Fare clic sull'icona di acquisizione per impostare l'acquisizione dell'immagine completa successiva desiderata. Quindi fare clic su Ritira nel flusso di lavoro dopo che l'immagine è stata acquisita. Assicurarsi che il campione inibisca la ricarica.

Se il campione non è sufficientemente conduttivo, considerare il rivestimento in carbonio prima dell'imaging. Caricare il campione nella camera SEM. Chiudere e pompare giù la camera.

Accendere il fascio di elettroni utilizzando il pulsante Beam On e ridurre otticamente lo zoom utilizzando la manopola di ingrandimento per ottenere il massimo campo visivo della superficie del campione. Individuate l'origine designata, quindi ingrandite utilizzando la manopola di ingrandimento. Orientate gli assi X e Y in base agli indicatori fiduciali immettendo valori nella rotazione dello stage in Opzioni inclinazione.

Ingrandisci in base alle esigenze e acquisisci le immagini desiderate del ROI designato e salva i file. Utilizzare un software appropriato per ogni strumento di caratterizzazione per elaborare i dati grezzi secondo necessità. Salva ed esporta le immagini KPFM e SEM acquisite nel formato di file desiderato.

Dopo aver aperto il file di dati KPFM, applicare un piano del primo ordine adattato al canale topografico AFM delle immagini KPFM per rimuovere la punta e l'inclinazione del campione, nonché un appiattimento del primo ordine, se necessario, per compensare eventuali offset linea-linea dovuti all'usura della sonda o alla raccolta di detriti sulla punta della sonda. Selezionare la combinazione di colori o la sfumatura desiderata per le immagini KPFM selezionando prima la miniatura del canale potenziale a sinistra dell'immagine topografica AFM, quindi facendo doppio clic sulla barra della scala di colori a destra della mappa delle differenze di potenziale KPFM Volta per aprire la finestra Regola scala colori immagine nella scheda Scegli tabella colori. Nella scheda Scala dati modificata della finestra Regolazione scala colori immagine, immettere i valori minimi e massimi appropriati nell'intervallo della barra della scala per l'immagine VPD KPFM.

Ripetere questa procedura per l'immagine topografica AFM dopo aver riselezionato l'immagine di anteprima del canale del sensore di altezza. Salva le esportazioni di qualità journal dell'immagine topografica AFM elaborata e della mappa VPD KPFMV come file immagine. Aprire l'immagine topografica AFM elaborata e la mappa VPD KPFM, insieme all'immagine SEM grezza, nel software di manipolazione delle immagini preferito.

Identificare l'origine specificata sia nei dati AFM KPFM che nelle immagini SEM. Sovrapponi le origini nelle due immagini. Quindi allineare le immagini a rotazione utilizzando gli assi delle coordinate X e Y designati dai marcatori fiduciali scelti o dalle caratteristiche caratteristiche.

Ridimensiona le immagini in base alle esigenze. È stato creato un modello asimmetrico di tre nano rientri che sono stati utilizzati come marcatori fiduciali per consentire la colocalizzazione di KPFM e SEM EBSD. Il rientro di origine è indicato nelle immagini SEM da un triangolo con i rientri dei due assi indicati da cerchi.

L'imaging colocalizzato ad alta risoluzione è stato quindi eseguito sulla regione delineata dal rettangolo solido. L'inclusione di uno dei rientri fiduciali contrassegnati da un cerchio ha permesso una precisa sovrapposizione delle immagini topografiche SEM e AFM degli elettroni retrodiffusi. Anche l'orientamento cristallografico EBSD risultante e le mappe potenziali di KPFM Volta potrebbero quindi essere colocalizzati.

Come indicato dalle frecce, le scansioni lineari attraverso le stesse regioni campione nelle mappe EBSD e KPFM hanno permesso la correlazione delle differenze nell'orientamento cristallografico con piccoli cambiamenti nel potenziale di Volta misurato. La microscopia Raman confocale ha mostrato che l'ossido di zirconio ricco di tetragonali era situato preferenzialmente vicino all'interfaccia dell'ossido metallico. KPFM colocalizzato ha scoperto che questo ossido ricco di tetragonali è significativamente più attivo dell'adiacente regione di ossido di zirconio ricca di monoclini più nobile.

Allo stesso modo, la mappatura KPFM attraverso la particella catodica brillante incorporata nel metallo zirconio ha mostrato un grande aumento del potenziale di Volta relativo, che è anche correlato con un cambiamento significativo nello spettro Raman. I segni fiduciali facilmente identificabili nel passaggio 2.2 sono fondamentali per la colocalizzazione. Per evitare potenziali danni o contaminazioni del campione, KPFM dovrebbe in genere essere eseguito prima di altri metodi di caratterizzazione nella fase quattro.

Oltre alle microscopie elettroniche e Raman, altre tecniche complementari di caratterizzazione da micro a nanoscala, tra cui la microscopia a super risoluzione basata sulla fluorescenza, possono essere colocalizzate con KPFM o altre modalità avanzate di microscopia a scansione di sonda. Condurre KPFM in un vano portaoggetti in atmosfera inerte a bassa umidità per controllare l'umidità e l'umidità superficiale può migliorare la risoluzione spaziale di KPFM e la riproducibilità dei potenziali di Volta misurati.