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

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。