Name: ケルビンプローブ力顕微鏡と他の顕微鏡および分光法との共局在化:合金の腐食特性評価における選択されたアプリケーション (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 18 s
Description: 学ぶケルビンプローブ力顕微鏡と走査型電子顕微鏡の共局在化手法。合金の腐食特性評価においてナノスケールの表面電位と組成を関連付け、材料構造と性能の関係を解明する。

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以下に特に記載されている場合を除き、すべてのAFMおよびKPFMイメージングはボイシ州立大学表面科学研究所(SSL)で実施され、共局在走査共焦点ラマン顕微鏡も同様に、共局在SEM / EDSイメージングはボイシ州立材料特性評価センター(BSCMC)で実施されました。この研究の多くで使用されたグローブボックスAFMシステムは、PHDとOOMの部分的なサポートも提供した全米科学財団の主要研究機器(NSF MRI)助成金番号1727026の下で購入され、ラマン顕微鏡はマイクロンテクノロジー財団からの資金提供を受けて購入されました。著者らは、この原稿の 図3 に示す二元MgLa合金の不活性雰囲気KPFM画像の取得を含む、MRI助成金の予備データを確保するためにグローブボックスAFMシステムを使用したマイクロンテクノロジーに感謝します。OOMとMFHへの部分的な支援は、NSF CAREER Grant Number 1945650によっても提供され、CMEとMFHは、NASA Idaho Space Grant Consortium EPSCoR Seed Grantからの追加資金提供を認めています。FWDは、エネルギー省基礎エネルギー科学室のユーザー施設である統合ナノテクノロジーセンターによってサポートされました。サンディア国立研究所は、契約DE-NA0003525に基づいて、米国エネルギー省国家核安全保障局のために、ハネウェルインターナショナル社の完全子会社であるサンディアLLCのナショナルテクノロジーアンドエンジニアリングソリューションズによって管理および運営されているマルチミッションラボです。
著者らは、KPFMイメージング用のろう付けサンプルを調製してくれたJasen B. Nielsenに感謝の意を表した。二元MgLa合金(図3)は、元オーストラリアのモナッシュ大学のニック・バービリスによって、米国陸軍研究所(契約番号W911NF-14-2-0005)の支援を受けて提供されました。カリ(リビングストン)ヒギンボサムは、Cu-Ag-Tiろう付けサンプルへのKPFMイメージングと分析の貢献に感謝しています。米国国立標準技術研究所(NIST)のNik Hrabe氏とJake Benzing氏は、有益な議論と、NISTでのAM Ti-6Al-4VサンプルのSEM/EBSD分析の準備(印刷、研磨、作成を含む)とSEM/EBSD分析の実行に多大な貢献をしたことで認められ、Jake Benzingは全米研究評議会のポスドク研究員を務めました。
本稿では、客観的な技術的結果と分析について述べる。この論文で表明される可能性のある主観的な見解または意見は著者のものであり、必ずしも米国エネルギー省、米国航空宇宙局、米国標準技術研究所、国立科学財団、または米国政府の見解を表すものではありません。

著者は開示する利益相反を持っていません。

KPFMは表面トポグラフィーとVPDをナノスケールの分解能で測定するため、高品質のKPFM画像を取得するにはサンプル調製が不可欠です。プロトコルセクションで説明した細かくグラデーションされた研磨ステップは、金属合金の高品質の最終表面仕上げを達成するための最適な出発点です。また、各研磨工程後に光学顕微鏡で表面を調べることで、表面品質の向上(目に見える傷の数、サイズ、深さなど)を確認でき、振動ポリッシャーで仕上げることで、最高の最終表面品質が得られます。最後に、研磨剤と洗浄方法を選択する際には、サンプルおよび実装剤との溶媒適合性を考慮する必要があります。慎重なサンプル調製に加えて、異なる特性評価技術を共局在化するには、原点位置とXY座標軸の方向(すなわち、サンプルの向き/回転)を示すために共通の基準(すなわち、基準マーク)を使用する必要があります6、7、32。これを実現するには、さまざまな方法があります。最も簡単な方法は、目で、または光学顕微鏡の助けを借りて見ることができる表面上の明確な既存の特徴を識別することです。この方法が機能するには、フィーチャに明確に定義された、簡単に識別できる原点(コーナーや突起など)があり、明確な方向を示す必要があります。ここで説明するCuSilろう付けサンプルは、これらの要件を満たすミクロンスケールの特徴を示し、共局在化を容易にしました(図1および図5)30。さらに、2つの相分離領域の独特の可視色は、それらの組成(すなわち、銅対銀リッチ)への洞察を提供しました。おそらく、フィデューシャルマークを作成するための最良かつ最も再現性のある方法はナノインデンテーションですが、これにはスタンドアロンのナノインデンターまたはAFM統合ナノインデンターシステムへのアクセスが必要です。ナノインデントは様々な方法で配置することができるが、最も明白なのは、AM Ti64の例(図2)32に示すように、原点として1つのインデントを使用し、原点からのX方向およびY方向を示すために直交軸に沿って整列した2つの追加のインデントを使用することである32。最後に、基準マークは、表面を引っ掻いたりマーキングしたりすることによっても確立できます(例えば、ダイヤモンドスクライブ、かみそりの刃、またはマイクロマニピュレータープローブの先端、または消えないインクまたは永久マーカー)。スクラッチ基準は、明確な表面の特徴および/またはナノインデンターが利用できない場合に有益であり得る。ただし、これらの方法は、特に腐食特性を調べる場合に問題を引き起こす可能性があります(たとえば、引っかき傷が表面を損傷し、腐食の影響を受けやすくする可能性があります)。スクラッチ基準を使用する場合は、スクラッチが実験結果に影響を与えないように、スクラッチを検査面から少し離して配置する必要があります。同様に、インクによる汚染は腐食性能に影響を与える可能性があるため、これらの方法は腐食以外の材料特性を研究する場合に適しています。
KPFMにおけるVPDの定量化は、ACバイアスとDCゼロ電位の両方の印加に依存するため、サンプル表面からAFMチャックまでの経路は電気的に連続的でなければなりません。したがって、サンプルがチャックから何らかの形で電気的に絶縁されている場合(たとえば、裏面の酸化物コーティングが施されている、非導電性基板上に堆積している、またはエポキシで覆われている場合)、接続を行う必要があります。1つの解決策は、銀ペースト( 材料表を参照)を使用してサンプルの上面からチャックまで線を引き、線が切れず、イメージング前に完全に乾いていることを確認することです。銅テープまたは導電性カーボンテープを使用して、同様の電気接続を作成することもできます。電気接続の確立に使用される方法に関係なく、KPFMイメージングの前にマルチメーターでチャックサンプルの導通を確認する必要があります。
金属表面の酸化または汚染は、測定されたVPDの劇的な変化につながります。 サンプルが接触する酸素の量を最小限に抑えると、表面の不動態化または劣化が遅くなる可能性があります。酸化を防ぐ1つの方法は、AFMを不活性雰囲気のグローブボックスに入れることです。酸素が豊富な周囲環境をアルゴンや窒素などの不活性ガスに置き換えることで、サンプル表面を比較的手付かずの状態に長期間維持することができます(図3)。グローブボックスを採用することの追加の利点は、溶解した汚染物質を導入し、腐食または不動態化を加速し、リフト高さを上げる必要があるために分解能を低下させる可能性のある地表水の除去です(以下を参照)。さらに、測定されたVPDは相対湿度15,23に敏感であることが示されているため、KPFM実験が周囲条件下で実施される場合、相対湿度を監視(および理想的には報告)することが重要です。
使用するAFM( 材料表を参照)と使用するKPFM実装モードに応じて、使用可能なイメージングパラメータと命名法は異なります。ただし、いくつかの一般的なガイドラインを策定することができます。KPFMは、AFMトポグラフィーとVPD測定を組み合わせたものです。したがって、良好なトポグラフィ画像は重要な最初のステップであり、トポグラフィの忠実度の高いトラッキングを維持しながら、チップとサンプルの力(したがって、チップの摩耗やサンプルの損傷の可能性)を最小限に抑えるように設定された値が選択されます(ゲインとセットポイントの相互作用を最適化することによって)。言い換えると、トポグラフィイメージングモードに関係なく、ユーザは、サンプルまたはプローブを損傷することなく(特に金属コーティングされている場合)、表面との十分な相互作用のバランスを決定する必要があります。さらに、サンプルが汚れていたり、十分に研磨されていないと、プローブの先端が破片に接触し、先端が壊れたり、先端のアーティファクトが発生したりする可能性があります。また、KPFM Voltaポテンシャルチャネルの地形アーチファクトを回避することも不可欠であり、これはここで説明するようなデュアルパスKPFMモードでより簡単に実現できます。最適なKPFMイメージングには、揚力の高さが上がるにつれてKPFMの横方向の分解能が低下するため、低い揚力と高い揚力のバランスが必要ですが、短距離ファンデルワールス力(AFMトポグラフィー測定を支える先端とサンプルの相互作用の原因となる)は、より低い揚力高さでの長距離静電相互作用の測定に影響を与える不安定性を生み出す可能性があります。上記のように不活性雰囲気のグローブボックスでの作業は、地表水の層を排除することでチップとサンプルの相互作用への寄与を取り除き、フィードバックを改善し、それによってKPFMリフトの高さを低くし、空間分解能を向上させることができ、湿度が一定(本質的にゼロ)で電荷スクリーニングが低下するため、より再現性の高いVPDという追加の利点が得られます。同様に、表面粗さの減少(すなわち、より良い研磨)は、より低いリフト高さを可能にし、KPFM解像度を向上させることができます、地形的アーチファクトを回避するための経験則は、リフト高さをスキャン領域内に存在する最も高い高アスペクト比表面フィーチャの高さとほぼ等しく設定することです。最適なリフト高さを決定する際に関係するもう1つの要因は、リフトモードパス中のプローブの振動振幅です-振幅が大きいほど、小さなVPDに対する感度が向上しますが、地形的なアーチファクトや表面への衝突を避けるためにリフト高さを大きくする必要があります(リフトスキャンフェーズの突然のスパイクとして表示されることがよくあります)。繰り返しになりますが、表面が滑らかであるほど、所定の振動振幅で達成できるリフト高さが低くなり、空間分解能とボルタ電位感度の両方が向上します。最後に、KPFM画像をキャプチャする場合、スキャンサイズを大きくするとサンプルカバレッジが広がりますが、検出電子機器によるボルタ電位の正確な測定を可能にするためにスキャン速度が遅くなるため、スキャン時間が長くなることに注意してください。
導電性材料の表面に観察される微細構造の相対的な貴さに関する推論は、KPFMを使用して測定されたVPD(例えば、微小ガルバニック対、粒界腐食、孔食)から行うことができます。ただし、文献で報告されている材料の絶対ボルタポテンシャルは大きく異なります18,24,27。この再現性の欠如は、異なる材料システムとその腐食挙動について誤解をもたらしました23,25。その結果、絶対ボルタ電位(すなわち、仕事関数)の決定、またはラボ、プローブ、または日間で測定されたVPDの比較のためには、不活性材料(例えば、金)に対するKPFMプローブの仕事関数の較正が不可欠である25,48。一部の著者による2019年の研究では、さまざまなKPFMプローブを調べ、それらのプローブとアルミニウム-シリコン-金(Al-Si-Au)標準との間で測定されたVPDの変動性を示しました。仕事関数の違いは、同じ公称材料と設計の個々のプローブでも観察されました(図12)25。概念実証として、前述のCuSilろう付けで接合された316Lステンレス鋼を、絶対VPDまたは仕事関数を測定するための例示的な材料として使用しました。Kvryanらによる2016年の研究からのデータ30は、さまざまなプローブを使用して同じサンプルで得られたKPFM VPDと比較され、内部ろう付けボルタ電位の分析に使用されました。Al-Si-Au規格のAu部分を基準仕事関数としてプローブ仕事関数を校正することにより、ろう付け相の測定されたVPDの再現性は、数百ミリボルト(図12A)から数十ミリボルト(図12C)まで桁違いに向上しました。較正のさらなる改善は、不活性基準の仕事関数を直接測定することによって(例えば、光電子分光法またはオージェ電子分光法を介して)、または密度汎関数理論25,48を用いて仕事関数を計算することによって実現することができる。
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64102/64102fig12v2.jpg"> 図12:KPFMボルタ電位再現性に対するプローブキャリブレーションの影響 。 (A)3つの異なるPFQNE-ALプローブと比較して得られたCuSilろう付けサンプル内の銅リッチおよび銀リッチ領域のVPD。(B)密度汎関数理論から計算された、左縦軸に提示されたAl-Si-Au標準の金部分に対する同じ3つのプローブのVPD、および得られた修正PFQNE-AL仕事関数値が右縦軸に提示されます。(C)ろう付けサンプルのイメージング前にイメージングされたAl-Si-Au標準の金に対して測定されたVPDをスケーリングすることによって得られた銅リッチおよび銀リッチ領域の絶対VPD。左の縦軸(パネル Cの上の式を使用して計算)は、ろう付けサンプル相とゴールドスタンダードの間のVPDを示しています。右縦軸(パネル Cの下の式を使用して計算)は、パネル Bで計算されたプローブの修正仕事関数に基づいて、各フェーズの結果の修正仕事関数を示します。この図はEfawら25から複製されています。略語: KPFM = ケルビンプローブ力顕微鏡;VPD = ボルタ電位差。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64102/64102fig12largev2.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
結論として、KPFMボルタポテンシャルマップと、SE画像、BSE画像、EDS元素組成マップ、EBSD逆極図などの高度なSEM手法との共局在化により、構造-特性-性能の関係に関する洞察を得ることができます。同様に、走査型共焦点ラマン顕微鏡などの他のナノスケールからマイクロスケールの特性評価技術も共局在化して、さらなる構造的洞察を提供することができます。ただし、複数の特性評価ツールを共局在化する場合は、表面粗さや破片を最小限に抑えるだけでなく、サンプルイメージングの原点と軸(つまり、方向または回転)を示す信頼性の高い基準マーカーを特定または作成するなど、サンプル調製が重要です。さらに、特定の特性評価手法が後続の測定に及ぼす潜在的な影響を考慮する必要があるため、他の特性評価方法の前にKPFM(非破壊で表面汚染に非常に敏感)を最初に実行することが望ましいです。最後に、表面の汚染物質を最小限に抑え、試験環境(周囲湿度など)の交絡効果を考慮して監視(またはさらに良いことに排除)し、KPFMプローブの仕事関数を適切に校正して、文献で報告されているKPFMボルタ電位測定値の信頼性が高く意味のある比較を可能にすることが重要です。この目的のために、AFMシステムを収容するための不活性雰囲気グローブボックス(または、利用できない場合は、別の形式の湿度制御/低水分環境を採用する)と、プローブ校正のための十分に特徴付けられた作業関数を備えた金またはその他の不活性標準物質標準の使用が推奨されます。

材料の微視的特性評価は、新しい材料の理解と開発にとって基本的に重要です。数多くの顕微鏡法により、トポグラフィー、弾性、ひずみ、電気伝導率、熱伝導率、表面電位、元素組成、結晶方位など、材料表面とその特性のマップが得られます。ただし、1つの顕微鏡モダリティによって提供される情報は、関心のある材料の挙動に寄与する可能性のある特性のコレクションを完全に理解するには不十分なことがよくあります。場合によっては、原子間力顕微鏡(AFM)を組み込んだ倒立光学顕微鏡プラットフォームや、複数の走査プローブモダリティ(ケルビンプローブ力顕微鏡[KPFM]や相互変調静電力顕微鏡[ImEFM1]、表面電位測定、磁力顕微鏡[MFM]など)など、特性評価機能を組み合わせた高度な顕微鏡が構築されています2,3,4。5は、同じAFM上のサンプルを特徴付ける。より一般的には、2つの別々の顕微鏡からの情報を組み合わせて、構造特性相関6,7を取得したいと考えています。ここでは、走査型ケルビンプローブ力顕微鏡と走査型電子顕微鏡およびラマンベースの顕微鏡および分光法との共局在化を示し、2つ以上の別々の顕微鏡から得られた情報を特定のアプリケーション例、すなわち腐食挙動を理解するための金属合金のマルチモーダル特性評価によって相関させるプロセスを示します。
腐食は、材料が環境と化学的および電気化学的に反応するプロセスです8。電気化学的腐食は、電解質の存在下でアノードとカソードの間で発生する電子と電荷の移動を含む自発的な(すなわち、自由エネルギーの正味の減少によって駆動される熱力学的に好ましい)プロセスです。金属または合金の表面に腐食が発生すると、マイクロガルバニック腐食9として知られるプロセスにおける微細構造特徴の組成の変化に基づいて陽極および陰極領域が発生します。共局在化されたナノスケールの特性評価技術を使用することにより、ここで説明する方法は、さまざまな合金微細構造の特徴間の可能性のあるマイクロガルバニック結合を特定するための実験ルートを提供し、腐食の軽減と新しい材料の開発に役立つ可能性のある洞察を提供します。これらの実験の結果は、合金表面のどの微細構造特徴が、活発な腐食中に局所的な陽極サイト(すなわち酸化部位)または陰極(すなわち還元部位)として機能する可能性が高いかを決定することができ、腐食の開始と反応のナノスケールの特徴に関する新しい洞察を提供します。
KPFMは、AFMベースの走査プローブ顕微鏡(SPM)特性評価技術であり、サンプル表面のトポグラフィーとボルタ電位差(VPD)マップをそれぞれ10ナノメートルとミリボルトのオーダーの解像度で同時に(または行ごとに順次)生成できます。これを達成するために、KPFMはナノスケールの先端を持つ導電性AFMプローブを利用します。通常、プローブは最初にサンプル表面のトポグラフィーの変化を追跡し、次にサンプル表面上のユーザー定義の高さまで持ち上げてから、トポグラフィーラインをトレースしてプローブとサンプル間のVPD(つまり、サンプル表面の相対ボルタ電位)を測定します。KPFM測定を実際に実装する方法は複数ありますが、基本的に、VPDの決定は、ACバイアス(提示された実装ではプローブ)と可変DCバイアス(提示された実装ではサンプル)の両方を同時に適用して、印加されたACバイアス周波数(またはそのヘテロダイン増幅和および差周波数)でのプローブの発振をゼロにすることによって示されるように、チップサンプル電位差をゼロにすることによって実行されます。 プローブの自然な機械的共振周波数の両側) 11.実施方法にかかわらず、KPFMは、金属表面12を横切る相関高横方向の空間分解能トポグラフィおよびVPDマップを生成する。
KPFMを介して測定されたVPDは、サンプルとプローブの間の仕事関数の違いに直接相関しており、さらに、VPDは溶液13,14,15中の電極電位と(一般的に)傾向があります。この関係は、VPDに基づく微細構造特徴の予想される(局所的な)電極挙動を決定するために使用でき、多くの金属合金腐食システムについて調査されています15、16、17、18、19、20、21、22.さらに、測定されたVPDは、局所組成、表面層、および粒子/結晶/欠陥構造に敏感であるため、金属表面の腐食反応を開始および駆動することが期待される特徴のナノスケールの解明を提供します。VPD(Ψ)は、文献13、14に詳細に記載されているように、正しい電気化学用語23の有用な図および正確な定義を含む、(測定不可能な)表面電位(χ)に関連しているが、異なることに留意すべきである。腐食研究へのKPFMの適用における最近の進歩は、サンプル調製、測定パラメータ、プローブタイプ、および外部環境の影響を注意深く考慮することにより、取得したデータの品質と再現性を大幅に向上させました24,25,26,27。
KPFMの欠点の1つは、表面VPDのナノスケール分解能マップを生成する一方で、組成に関する直接的な情報を提供しないため、VPDの変動と元素組成の違いとの相関関係を、相補的な特性評価技術との共局在によって提供する必要があることです。KPFMをSEM、エネルギー分散型分光法(EDS)、電子後方散乱回折(EBSD)、および/またはラマン分光法と共局在させることにより、そのような組成および/または構造情報を決定することができます。ただし、ナノスケール技術の共局在化は、イメージングの極端な倍率、視野と解像度の違い、および特性評価中のサンプルの相互作用のために困難な場合があります28。異なる機器でサンプルの同じ領域のナノスケールからマイクロスケールの画像を取得するには、技術を共局在化し、シーケンシャル特性評価中に起こりうる相互汚染によるアーティファクトを最小限に抑えるための高精度で慎重な計画が必要です18,28。
この記事の目的は、KPFMとSEMイメージングを共局在化するための体系的な方法を定義することであり、後者はEDS、EBSD、ラマン分光法などの他の特性評価技術に置き換えることができます。特性評価ステップの適切な順序、KPFM分解能と測定されたVPDに対する環境の影響、KPFMプローブのキャリブレーション、およびSEMまたはその他の高度な顕微鏡および分光技術をKPFMとうまく共局化するために採用できるさまざまな戦略を理解する必要があります。したがって、SEMをKPFMと共局在化するための段階的な一般化された手順が提供され、続いて、そのような共局在化の模範的な作業が、意味のある結果を得るための有用なヒントおよびコツとともに提供される。より一般的には、ここで説明する手順は、KPFMおよび他のAFMモードを用いて他の顕微鏡モダリティから得られた画像/特性マップを共局在化して、様々な材料系において有用な構造特性関係を得るための広く適用可能なプロセスを概説するのに役立つはずである6、7、29、30、31、32。

<table><tbody><tr><td>原子間力顕微鏡</td><td>ブルカー</td><td>寸法アイコン</td><td>ナノスコープ制御ソフトウェアを使用し、PF-KPFMモジュール/キー対応</td></tr><tr><td>コロイダルシリカポリッシュ</td><td>Leco</td><td>812-121-300</td><td>研磨剤:0.08 &mu;m(80 nm)です。金属の仕上げ研磨剤として使用されます。高分解能EBSDを実行するためのサンプル調製に最適です。</td></tr><tr><td>導電性銀塗料、Pelco</td><td>Ted Pella</td><td>16062</td><td>同様の導電性を持つ他の製品(Pelco #16031または16034など)を使用できますが、この製品は、高速周囲乾燥、低VOC、高い機械的強度、簡単なクリーンアップ/取り外し、および比較的低いシート抵抗を兼ね備えています:https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx</td></tr><tr><td>ダイヤモンドス</td><td>ラリーBuehler</td><td>MetaDi Supreme、多結晶ダイアモンサスペンション&nbsp;</td><td>サンプルを研磨する最終ステップ。1 &mu; から始めます。m に移動し、次に 0.05 &mu;m(50 nm)です。</td></tr><tr><td>デジタルマルチメーター</td><td></td><td>Fluke Fluke 21 マルチメーター</td><td>AFM ステージ/チャックからサンプル表面までの導通の確認、適切な接地とバイアスの確認などに使用します。</td></tr><tr><td>エポキシビュー</td><td></td><td>ラーEpoThin 2</td><td>4:1の樹脂と硬化剤の比率。混合してサンプルのマウントに使用し、研磨や実験に役立てます。&nbsp;</td></tr><tr><td>エタノール</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>459828</td><td>200プルーフ、分光光度グレード。研磨後および/またはイメージング前にサンプルを洗浄するために使用されます。&nbsp;</td></tr><tr><td>グローブボックス、不活性雰囲気</td><td>MBraun</td><td>LabMaster Pro MB200B + MB20Gガス精製ユニット</td><td>ブルカー Dimension Icon AFM、グローブ3枚、アルゴン雰囲気で使用するためのカスタムデザイン(漏れのない電気フィードスルー、振動遮断、音響騒音、気流の最小化など)と深さ</td></tr><tr><td>画像オーバーラップソフトウェア</td><td>Microsoft</td><td>PowerPoint</td><td>他のソフトウェア製品は、ユーザーの知識に応じて必要に応じて使用できます。必要な基本的なソフトウェア機能は、画像の平行移動、回転、スケーリング、およびKPFM/他の顕微鏡画像のオーバーレイ中の画像の透明度の理想的な調整です。</td></tr><tr><td>KPFMプローブ</td><td>ブル</td><td>カーPFQNE-AL</td> ブル<td>カーSCM-PITおよびSCM-PICプローブ、およびロッキーマウンテンナノテクノロジーの固体Ptプローブも試しましたが、PFQNE-ALプローブが優れた性能を提供することがわかりました</td></tr><tr><td>KPFM標準</td>ブル<td>カーPFKPFM-SMPL</td><td></td><td>8 mm x 8 mmシリコンウェーハは、金(厚さ50 nm)に囲まれたアルミニウム(厚さ50 nm)の長方形の島を3 x 9配列でパターン化しています。15 mmのスチールディスクに取り付けられ、上面の金層がディスクに電気的に接続されています。</td></tr><tr><td>Nanoindenter</td><td>Hysitron</td><td>TS 75</td><td>ナノインデントにより、Ti-6Al-4Vサンプルを直角三角形パターンで積層造製し、共局在イメージングのための原点軸とXY軸を作製しました。</td></tr><tr><td>Nanscope Analysis</td><td>Bruker</td><td>Version 2.0</td><td>無料のAFM画像処理および解析ソフトウェアパッケージですが、独自のもので、Bruker AFMs用に設計され、Bruker AFMに限定されています。同様の機能は、Gwyddion、WSxMなどのプラットフォームに依存しない無料のAFM画像処理および解析ソフトウェアパッケージから利用できます</td></tr><tr><td>ポリッシャー</td><td>Allied</td><td>MetPrep 3</td><td>スラリー研磨時に使用</td></tr><tr><td>プローブホルダー</td><td>Bruker</td><td>DAFMCH</td><td>使用される特定のAFMに固有ですが、プローブから機器への直接の電気経路を提供する必要があります。DAFMCHは、Dimension Icon AFM用の標準コンタクトおよびタッピングモードプローブホルダーで、KPFM</td></tr>ラ<tr><td>マン顕微鏡、走査型共焦点</td><td>堀場</td><td>LabRAM HRエボリューション</td><td>走査型共焦点ラマン顕微鏡、442 nm、532 nm、633 nmの励起波長/レーザー(532 nmの倍増Nd:YAGを使用)、10倍、20倍、50倍、100倍のオリンパス対物レンズ、50-250 mmの調整可能な共焦点ピンホール、 0.8mイメージング分光計、600および1800ライン/mmグレーティング付き。TE 冷却 256 x 1024 CCD アレイ検出器。80 mm x 100 mm Marzhauser電動XYZステージとDuoScanミラー機能による</td></tr><tr><td>サンプルパック</td><td>テッド・ペラ</td><td>16218</td><td>製品番号は直径15mmのステンレス製サンプルパック用です。また、</td></tr><tr><td></td>ボイシ州立大学にある<td>走査型電子顕微鏡</td>Hitachi <td>S-3400N-II</td>では、直径6mm、10mm、12mm、20mm https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 ご用意しています<td>。積層造形(AM)Ti-6Al-4Vを除くすべてのサンプルで共局在化SEM/EDSを実行するために使用されます。</td></tr><tr><td>走査型電子顕微鏡</td><td>Zeiss</td><td>Leo</td><td>Field Emission SEM.NISTのコロラド州ボルダーキャンパスにあります。AM Ti-6Al-4Vサンプルに共局在するSEM/EBSDを提供するために使用されます。</td></tr><tr><td>炭化ケイ素グリット紙(研磨ディスク)</td><td>連合国</td><td>120グリット:50-10005、400グリット:50-10025、800グリット:50-10035、1200グリット:50-10040</td><td>ANSI標準120グリットから1200グリットまで徐々に研磨されたサンプルは、スラリーを使用する前に。ANSI 規格の 120 グリットは P120 (ヨーロッパ) に対応し、ANSI 規格の 1200 グリットは P4000 (ヨーロッパ) に対応していることに注意してください - つまり、ANSI (米国インダストリアル グリット) とヨーロッパの FEPA (P-Grading) 研磨剤の特性評価基準は、粗いグリットでは一致しますが、より細かい研磨剤では数値的に異なります。</td></tr><tr><td>Sonicator</td><td>VWR(Avantorの一部)</td><td>97043-992</td><td>研磨後の超音波処理によるサンプルの洗浄に使用されます。</td></tr><tr><td>超高純度窒素(UHP N2)、99.999%</td><td>Norco</td><td>SPG TUHPNI-T</td><td>Tサイズの超高純度(99.999%)の圧縮ガスボンベ、サンプル乾燥用窒素</td></tr><tr><td>可変速グラインダー</td><td>ビュー</td><td>ラーEcoMet 3000</td><td>手磨き時に炭化ケイ素グリット紙と一緒に使用します。</td></tr><tr><td>振動ポリッシャー</td><td>ビューラー</td><td>AutoMet 250 グラインダーポリッシャー</td><td>サンプルを長時間研磨するために使用されます。自動研磨。</td></tr></tbody></table>

ケルビンプローブ力顕微鏡と他の顕微鏡および分光法との共局在化:合金の腐食特性評価における選択されたアプリケーション

Co-localizing Kelvin Probe Force Microscopy with Other Microscopies and Spectroscopies: Selected Applications in Corrosion Characterization of Alloys

ケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM)は、表面電位顕微鏡と呼ばれることもあり、由緒ある走査型ケルビンプローブのナノスケールバージョンであり、どちらも、チップとサンプルの電位差とは大きさが等しいが符号が反対のヌル電圧を印加することにより、振動プローブチップとサンプル表面の間のボルタ電位差(VPD)を測定します。導電性KPFMプローブをサンプル表面上でスキャンすることにより、表面のトポグラフィーと電位のナノスケールの変化をマッピングし、陽極および陰極の可能性のある領域を特定し、ガルバニック腐食に固有の材料駆動力を定量化できます。
その後、後方散乱電子(BSE)画像、エネルギー分散型分光法(EDS)元素組成マップ、電子反射回折(EBSD)逆極図などの高度な走査型電子顕微鏡(SEM)技術によるKPFMボルタポテンシャルマップの共局在化により、構造-特性-性能の関係に関するさらなる洞察を得ることができます。ここでは、技術的に関心のある多種多様な合金でKPFMとSEMを共局在化させたいくつかの研究の結果が提示され、これらの技術をナノスケールで組み合わせて腐食の開始と伝播を解明することの有用性を示しています。
このような調査で考慮すべき重要なポイントと回避すべき潜在的な落とし穴も強調されています:特に、プローブのキャリブレーションと、周囲湿度(吸着水など)、表面反応/酸化、研磨破片やその他の汚染物質など、試験環境とサンプル表面の測定されたVPDに対する潜在的な交絡効果。さらに、第3の技術である走査型共焦点ラマン顕微鏡を共局在化して、共局在法の一般的な適用性と有用性を実証し、電子顕微鏡ベースの技術によって提供されるものを超えたさらなる構造的洞察を提供する例を示します。

ケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM)は表面トポグラフィーと表面電位の違いを測定し、走査型電子顕微鏡(SEM)および関連する分光法は表面の形態、組成、結晶化度、および結晶方位を解明できます。したがって、SEMとKPFMの共局在化は、腐食に対するナノスケールの組成と表面構造の影響についての洞察を提供することができます。

Kelvin probe force microscopy (KPFM), sometimes referred to as surface potential microscopy, is the nanoscale version of the venerable scanning Kelvin ...

ケルビンプローブ力顕微鏡(KPFM)は、表面トポグラフィーと表面電位の違いをナノスケールで測定し、走査型電子顕微鏡(SEM)は、組成、結晶化度、および結晶方位を解明できます。SEMまたは他の顕微鏡技術をKPFMと共局在化することで、単一の技術ではアクセスできない材料構造、特性性能の関係を直接識別できます。SEMまたは他の顕微鏡技術とKPFMとの共局在は、腐食の開始および伝播メカニズムに対するナノスケールの組成および表面構造の影響についての洞察を提供することができます。KPFMプローブのキャリブレーションと、関心領域、原点、および方向をマークする基準は、この方法の成功に不可欠です。湿度を最小限に抑えるためのグローブボックスも非常に有益です。手順を実演するのは、マイク・ハーレー教授の応用電気化学および腐食研究所の現在の博士課程の学生であり、私の研究室の元学部AFM研究者であるオリビア・マリオンです。まず、使用するAFMおよびその他の特性評価ツールの寸法要件を満たすようにサンプルを準備します。光学顕微鏡を使用して、研磨が十分かどうかを判断し、サンプルの表面に目に見える傷がほとんどないことを確認します。必要な共局在化方法を実装して、原点と軸を作成します。サンプルがAFMステージのサンプルチャック真空に対して密閉するのに十分なほど底面が滑らかであり、緩い破片がなく表面粗さが最小限であり、ベースから上面への導電経路を提供することを確認してください。これを行うには、サンプルをチャックにロードし、オンオフレバースイッチを使用してチャック真空をオンにします。導電性銀ペーストの細い線を塗布して、サンプルからチャックまでの連続的な電気経路を提供します。銀ペーストが乾いたら、マルチメーターを使用して、サンプルの上面がサンプルステージとの良好な連続性を持っていることを確認します。AFM制御ソフトウェアを開きます。開いた [実験の選択] ウィンドウで、適切な実験カテゴリ、実験グループ、および実験を選択します。次に、[実験の読み込み] をクリックして、目的のワークフローを開きます。実験ワークフローが開いたら、ワークフローの [設定] をクリックします。静電気放電を防ぐために導電性手袋を着用しながら、導電性AFMプローブを適切なプローブホルダーに慎重に取り付けて固定します。プローブホルダーをAFMヘッドに取り付け、プローブホルダーの穴をAFMヘッドのコンタクトピンに合わせる前に、最初にAFMエンクロージャーの側面に触れて静電気の蓄積を放電するように注意してください。[プローブのセットアップ] メニューで、使用しているプローブの種類が表示されていることを確認します。必要に応じて、[プローブの選択]をクリックし、ドロップダウンメニューから正しいプローブタイプを選択します。次に、[戻る]をクリックして変更を保存します。フォーカスヒントメニューで、フォーカスコントロールの上矢印と下矢印を使用して、カンチレバーの端に焦点を合わせます。必要に応じて、フォーカス速度、光学ズーム、およびビデオ照明を調整します。カンチレバーの遠位端からの先端の既知のセットバックに基づいて、カンチレバーの下の先端の位置に対応する位置で光学画像をクリックして、十字線を先端位置に合わせます。AFMヘッドのレーザーアライメントノブを使用して、レーザーをプローブカンチレバーの背面の中央から遠位端に向かって向け、反射ビームを位置検出検出器(PSD)の中央に配置して、垂直方向と水平方向のたわみを最小限に抑えながら合計電圧を最大化することで、レーザーアライメントを最適化します。AFM制御ソフトウェアワークフローでナビゲートウィンドウを選択し、ステージ移動X-Y制御矢印を使用してプローブをサンプル上に移動します。スキャンヘッドの上矢印と下矢印を使用して、サンプル表面に焦点を合わせます。次に、ステージ移動X-Yコントロール矢印を再度使用して、指定された原点を特定し、対象領域に移動します。ステージ移動X-Yコントロールを使用して、プローブ先端の真下に簡単に識別できる特徴を配置します。フィーチャーにズームインして、ツールバーの[キャリブレーション]をクリックして、側面に取り付けられたカメラ光学系によって引き起こされる視差を補正し、[光学および光学SPM軸の共線性]を選択します。共線性のキャリブレーション手順を実行するには、[次へ]をクリックします。[完了]をクリックする前に、表示された各光学画像の同じ特徴的な特徴の上に十字線を合わせます。次に、ソフトウェアワークフローの[ナビゲート]をクリックして続行します。指定された原点を見つけ、それに応じてX座標軸とY座標軸を揃えて、プローブの先端を原点の中央に配置します。目的の関心領域への繰り返し可能なナビゲーションと、他の特性評価手法との共局在を可能にするには、ソフトウェアウィンドウの下部に表示されるXおよびY位置の値に注意してください。ツールバーの「ステージ」をクリックし、「参照を設定」を選択します。指定した原点の上にいるときに、[原点を定義]の下の[原点としてマーク]をクリックして、X 位置値と Y 位置値をゼロにします。次に、プローブを目的のROIに移動し、原点から画面の下部にX値とY値として表示されるROIまでの距離をメモします。周囲システムを使用している場合は、AFMを閉じる際に音響フードを閉じてロックします。[パラメーターの確認] ワークフロー ウィンドウを選択し、既定の初期イメージング パラメーターが許容できることを確認します。ツールバーの顕微鏡設定に移動します。[エンゲージ設定]を選択し、デフォルトのエンゲージパラメータが許容可能であることを確認し、必要に応じて変更します。ワークフローの [エンゲージ] ボタンをクリックして、サーフェス上でエンゲージします。係合プロセスを監視して、チップが正しく係合していることを確認します。エンゲージしたら、カーブを右クリックして[表示タイプの切り替え]を選択し、フォースカーブの表示タイプを力対時間から力対Zに切り替えます。スキャンインターフェースのパラメータウィンドウでAFMトポグラフィーとKPFMパラメータを最適化します。[キャプチャ] で適切なディレクトリ パスとファイル名を定義したら、[キャプチャ ファイル名] をクリックします。キャプチャアイコンをクリックして、目的の次の完全なイメージをキャプチャするように設定します。次に、画像がキャプチャされたら、ワークフローで[撤回]をクリックします。サンプルが充電を禁止していることを確認してください。サンプルの導電性が不十分な場合は、イメージングの前にカーボンコーティングを検討してください。サンプルをSEMチャンバーに入れます。チャンバーを閉じてポンプで送ります。ビームオンボタンを使用して電子ビームをオンにし、倍率ノブを使用して光学的にズームアウトして、サンプル表面の最大視野を取得します。指定した原点を見つけて、拡大ノブを使用してズームインします。基準マーカーに従って X 軸と Y 軸の向きを設定するには、[傾斜オプション] でステージの回転に値を入力します。必要に応じてズームインし、指定されたROIの目的の画像をキャプチャして、ファイルを保存します。各特性評価ツールに適したソフトウェアを使用して、必要に応じて生データを処理します。取得したKPFMおよびSEM画像を目的のファイル形式で保存およびエクスポートします。KPFMデータファイルを開いた後、KPFM画像のAFMトポグラフィーチャンネルに1次平面フィットを適用してサンプルチップと傾きを取り除き、必要に応じて1次フラット化を適用して、プローブの摩耗やプローブチップの破片の拾い上げによるライン間のオフセットを補正します。最初にAFM地形画像の左側にある潜在的なチャンネルサムネイルを選択し、次にKPFM Volta電位差マップの右側にあるカラースケールバーをダブルクリックして、画像カラースケール調整ウィンドウを開き、[カラーテーブルの選択]タブをクリックして、KPFM画像の目的の配色またはグラデーションを選択します。「イメージ・カラー・スケール調整」ウィンドウの「変更されたデータ・スケール」タブで、KPFM VPD イメージのスケール・バー範囲に適切な最小値と最大値を入力します。最初に高さセンサーチャンネルのサムネイル画像を再選択した後、AFM地形画像に対してこのプロセスを繰り返します。処理されたAFM地形画像とKPFMV VPDマップのジャーナル品質のエクスポートを画像ファイルとして保存します。処理されたAFMトポグラフィ画像とKPFM VPDマップを、生のSEM画像とともに、選択した画像操作ソフトウェアで開きます。AFM KPFM データと SEM 画像の両方で指定された原点を特定します。2 つの画像の原点をオーバーレイします。次に、選択した基準マーカーまたは特性フィーチャによって指定された X 座標軸と Y 座標軸を使用して、画像を回転的に整列させます。必要に応じて画像を拡大縮小します。3つのナノインデントの非対称パターンが作成され、KPFMとSEM EBSDの共局在を可能にするための基準マーカーとして使用されました。原点インデントは、SEM画像では三角形で示され、2つの軸のインデントは円で示されます。次に、高解像度の共局在化イメージングを、実線の長方形で輪郭を描かれた領域で実行しました。円でマークされた基準インデントの1つを含めることで、反射電子SEMとAFMトポグラフィー画像の正確な重なりが可能になりました。結果として得られたEBSD結晶学的配向とKPFMボルタポテンシャルマップも共局在化する可能性があります。矢印で示されているように、EBSDマップとKPFMマップの同じサンプル領域にわたるラインスキャンにより、結晶方位の違いと測定されたボルタ電位の小さな変化との相関が可能になりました。共焦点ラマン顕微鏡は、正方晶に富む酸化ジルコニウムが金属酸化物界面近くに優先的に位置することを示した。共局在化したKPFMは、この正方晶に富む酸化物が、隣接するより貴なバルク単斜晶系に富む酸化ジルコニウム領域よりも有意に活性が高いことを発見した。同様に、ジルコニウム金属に埋め込まれた明るい陰極粒子を横切るKPFMマッピングは、相対ボルタ電位の大きな増加を示し、これもラマンスペクトルの有意な変化と相関した。ステップ2.2で簡単に識別できる基準マークは、コローカリゼーションの鍵となります。潜在的なサンプルの損傷や汚染を避けるために、KPFMは通常、ステップ4の他の特性評価方法の前に実行する必要があります。電子顕微鏡およびラマン顕微鏡に加えて、蛍光ベースの超解像顕微鏡法を含む他の相補的なマイクロからナノスケールの特性評価技術は、KPFMまたは他の高度な走査プローブ顕微鏡モードと共局在化することができます。低水分の不活性雰囲気のグローブボックスでKPFMを実行して湿度と表面水分を制御すると、KPFMの空間分解能と測定されたボルタ電位の再現性を向上させることができます。

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学ぶケルビンプローブ力顕微鏡と走査型電子顕微鏡の共局在化手法。合金の腐食特性評価においてナノスケールの表面電位と組成を関連付け、材料構造と性能の関係を解明する。

ケルビンプローブ力顕微鏡と他の顕微鏡および分光法との共局在化:合金の腐食特性評価における選択されたアプリケーション

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