Artykuł metodologiczny

Obrazowanie korozji na granicy faz metal-farba przy użyciu spektrometrii mas jonów wtórnych czasu przelotu

DOI:

10.3791/59523

⸱

6 maja 2019

 ,  ,  , 
1Earth and Biological Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 2Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Spektrometria mas jonów wtórnych czasu przelotu jest stosowana do zademonstrowania mapowania chemicznego i morfologii korozji na styku metalu i farby stopu aluminium po wystawieniu na działanie roztworu soli w porównaniu z próbką wystawioną na działanie powietrza.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Korozja powstała na styku metalu i farby aluminiowej (Al) stopu aluminium jest analizowana za pomocą spektrometrii mas jonów wtórnych czasu przelotu (ToF-SIMS), co pokazuje, że SIMS jest odpowiednią techniką do badania rozkładu chemicznego na granicy metalu i farby. Malowane kupony ze stopu aluminium są zanurzane w roztworze soli lub wystawiane wyłącznie na działanie powietrza. SIMS zapewnia mapowanie chemiczne i obrazowanie molekularne 2D granicy faz, umożliwiając bezpośrednią wizualizację morfologii produktów korozji powstających na granicy faz metal-farba oraz mapowanie substancji chemicznej po wystąpieniu korozji. Przedstawiono procedurę eksperymentalną tej metody, aby dostarczyć szczegółów technicznych ułatwiających podobne badania i uwypuklić pułapki, które można napotkać podczas takich eksperymentów.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stopy Al mają szerokie zastosowanie w konstrukcjach inżynieryjnych, takich jak technologia morska czy wojskowa motoryzacja, co można przypisać ich wysokiemu stosunkowi wytrzymałości do masy, doskonałej odkształcalności i odporności na korozję. Jednak miejscowa korozja stopów Al jest nadal powszechnym zjawiskiem, które wpływa na ich długoterminową niezawodność, trwałość i integralność w różnych warunkach środowiskowych1. Powłoka malarska jest najczęstszym sposobem zapobiegania korozji. Ilustracja korozji powstającej na styku metalu i powłoki lakierniczej może dostarczyć informacji na temat odpowiedniego środka zaradczego w celu zapobiegania korozji.

Korozja stopów Al może odbywać się na kilka różnych sposobów. Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS) i skaningowa mikroskopia elektronowa/spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (SEM/EDX) to dwie powszechnie stosowane techniki mikroanalizy powierzchni w badaniu korozji. XPS może zapewnić mapowanie pierwiastków, ale nie holistyczny widok molekularny informacji chemicznych powierzchni2,3, podczas gdy SEM/EDX dostarcza informacje morfologiczne i mapowanie pierwiastków, ale ze stosunkowo niską czułością.

ToF-SIMS to kolejne narzędzie powierzchniowe do mapowania chemicznego z dużą dokładnością masy i rozdzielczością poprzeczną. Ma dolną granicę wykrywalności (LOD) i jest w stanie ujawnić rozkład form korozji powstających na granicy faz metal-farba. Zazwyczaj rozdzielczość masowa SIMS może osiągnąć 5 000-15 000, co wystarcza do rozróżnienia jonów izobarycznych4. Dzięki submikronowej rozdzielczości przestrzennej, ToF-SIMS może chemicznie obrazować i charakteryzować granicę metalu i farby. Dostarcza nie tylko informacji morfologicznych, ale także bocznego rozkładu form korozji molekularnej w górnych kilku nanometrach powierzchni. ToF-SIMS oferuje informacje uzupełniające do XPS i SEM/EDX.

Aby zademonstrować możliwości ToF-SIMS w charakterystyce powierzchni i obrazowaniu granicy korozji, analizowane są dwa malowane próbki stopu Al (7075), jeden wystawiony na działanie tylko powietrza, a drugi na roztwór soli (Rysunek 1 i Rysunek 2). Zrozumienie zachowania korozyjnego na granicy faz metal-farba wystawionej na działanie soli ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia wydajności stopu Al na przykład w środowisku morskim. Wiadomo, że powstawanie Al(OH)3 następuje podczas ekspozycji Ala na działanie wody morskiej5, ale badanie korozji Al nadal nie pozwala na kompleksową identyfikację molekularną granicy korozji i powłoki. W tym badaniu obserwowano i identyfikowano fragmenty Al(OH)3, w tym tlenki Al (np. Al3O5-) i formy tlenowo-wodorotlenkowe (np. Al3O6H2-). Porównania widm masowych SIMS (Rysunek 3) i obrazów molekularnych (Rysunek 4) jonów ujemnych Al3O5- i Al3O6H2- dostarczają molekularnych dowodów na produkty korozji powstające na granicy faz metal-farba kuponu stopu Al poddanego działaniu roztworu soli. SIMS oferuje możliwość wyjaśnienia skomplikowanej chemii zachodzącej na styku metalu i farby, co może pomóc rzucić światło na skuteczność obróbki powierzchni w stopach Al. W tym szczegółowym protokole demonstrujemy to skuteczne podejście do badania granicy między metalem a farbą, aby pomóc nowym praktykom w badaniach korozyjnych przy użyciu ToF-SIMS.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Przygotowanie próbki korozji

  1. Utrwalanie próbki w żywicy i polerowanie
    1. Zamontuj dwa kupony ze stopu aluminium (1 cm x 1 cm) za pomocą żywicy epoksydowej w 1,25-calowych kubkach na próbki metalograficzne i umieść kupony w dygestoriach na noc lub do całkowitego utwardzenia żywicy.
    2. Wyjmij kubki na cylindry z żywicy Al z kubków na próbki. Wypoleruj cylindry z żywicy Al za pomocą papieru o ziarnistości 240 z wodą z prędkością 300 obr./min/150 obr./min w uchwycie przez 1 min.
    3. Wypoleruj cylindry z żywicy Al za pomocą płytki polerskiej roztworem na bazie wody o wielkości 15 μm, 6 μm, 3 μm i 1 μm przez 5 minut (każdy krok), sekwencyjnie.
    4. Opłucz cylindry z żywicy Al wodą dejonizowaną (DI) i wypoleruj je bawełną.
    5. Ponownie przepłucz butle z żywicą Al etanolem i umieść je w okapie oparów chemicznych, aż wyschną.
      UWAGA: Alternatywnie próbkę można wysuszyć powietrzem pod ciśnieniem lub azotem.
  2. Przygotowanie próbki korozji Al
    1. Spryskaj czarną farbą 2x każdą butlę z żywicą Al i pozostaw je w dygestoriach na 24 godziny. Farba ma grubość około 100 μm.
      UWAGA: Farba jest produktem komercyjnym z podkładem zmieszanym w jednej butelce. Jest szybkoschnący i zapobiega rdzewieniu.
    2. Wygraweruj cztery równoległe linie (o długości 5-6 mm) prosto w dół na górze każdego pomalowanego cylindra z żywicy Al za pomocą skalpeli. Umieść linie w środku stopów aluminium.
    3. Zanurz jeden cylinder z żywicą Al w roztworze soli o pH 8,3 zawierającym NaCl,MgSO4, MgCl2 i KCl, powierzchnią zapisaną do dołu. Częściowo przykryj szalkę Petriego o wymiarach 10 cm x 10 cm pokrywką.
      UWAGA: Roztwór soli składa się z 465 mM NaCl, 28 mM MgSO4, 25 mM MgCl2 i 3 mM KCl w 50 ml wody DI, dostosowanej o 0,1 M NaOH do osiągnięcia pH około 8,3. Roztwór zawiera główne jony w wodzie morskiej. Przewodność roztworu soli wynosi około 5,5 S/m. Temperatura roztworu wynosi 72 °F.
    4. Umieść drugi cylinder z żywicy Al jego narysowaną powierzchnią do dołu na czystej szalce Petriego i przykryj go pokrywką. Obie próbki należy przechowywać w dygestorium chemicznym przez 3 tygodnie.
  3. Odsłonięcie granicy faz korozji i montaż granicy faz w żywicy
    1. Przetnij każdy cylinder z żywicy Al na dwie połówki za pomocą piły wolnoobrotowej z diamentowym ostrzem, prostopadle do środka zaznaczonych linii i przytnij nadmierną krawędź żywicy.
    2. Zamontuj wszystkie przycięte kawałki stopu aluminium w 2-calowym kubku na próbki i utwórz zespół, umieszczając kawałki stopu aluminium wzdłuż okręgu, z interfejsem metal-farba skierowanym do góry. Rozmieść każdy kawałek stopu aluminium.
    3. Powtórz kroki 1.1.2-1.1.3.
    4. Następnie wypolerować przekrój metalowo-malarski w zagęszczarce przymocowanej do ciężarka o wadze 2 funtów przy użyciu 0,05 μm koloidalnego roztworu krzemionki na paśmie polerskim przez 4 godziny.
    5. Powtórz kroki 1.1.4-1.1.5
      UWAGA: Prace związane z utrwalaniem i polerowaniem są ważne dla uzyskania wystarczającej ilości sygnałów SIMS, ponieważ niewypolerowana powierzchnia doprowadzi do niskiej intensywności sygnałów jonów wtórnych i słabej rozdzielczości masy podczas analizy SIMS.
  4. Powlekanie próbki za pomocą powlekarki napylającej
    1. Umieść zespół interfejsu polerowany metal-farba w komorze powlekania napylanego stroną z interfejsem do góry. Zamknij pokrywę powlekarki i zacznij pompować komorę.
    2. Postępuj zgodnie ze zwykłą procedurą napylania i nałóż warstwę złota (Au) o grubości 10 nm na zespole interfejsu metal-farba.
      UWAGA: Celem tej obróbki powierzchni próbki jest zmniejszenie efektu ładowania podczas analizy SIMS. Jeśli próbka jest przewodząca, ten krok nie jest konieczny.

2. Analiza granicy korozji metalu i farby za pomocą ToF-SIMS

  1. Wczytywanie próbek do ToF-SIMS
    1. Zamontuj zespół interfejsu metal-farba zawierający próbkę poddaną działaniu roztworu soli i kontrolę wystawioną na działanie powietrza na uchwycie próbki Topmount za pomocą i klipsów.
      UWAGA: Topmount to nazwa uchwytu na próbkę, który utrzymuje próbkę na górze uchwytu na próbkę.
    2. Odkręć blokującą na drzwiach zamka ładunku i kliknij przycisk Stop w oknie Fpanel graficznego interfejsu użytkownika (GUI) oprogramowania ToF-SIMS, aby odpowietrzyć komorę blokady załadunku.
    3. Otwórz komorę blokady obciążenia, obracając ramię do przenoszenia próbki w prawo, obróć ramię transferowe w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż zamocuje się do kołka uchwytu próbki Topmount, a następnie obróć je z powrotem.
    4. Obróć ramię przenoszące do tyłu, aby zamknąć drzwi zamka załadunku i dokręć blokującą na drzwiach, aby uszczelnić blokadę załadunku.
    5. Kliknij przycisk Start w oknie Fpanel, aby przepompować komorę blokady obciążenia, aż osiągnie ~1.0E-6 mbar lub poniżej.
    6. Kliknij przycisk Otwórz w oknie Fpanel, aby otworzyć bramę między komorą główną a zamkiem załadunku.
    7. Wsuń ramię do przenoszenia próbki przymocowane do uchwytu próbki do komory głównej. Obróć ramię transferowe w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż uchwyt próbki zostanie przeniesiony do stolika na próbkę w komorze głównej.
    8. Cofnij ramię transferowe całkowicie do tyłu i kliknij przycisk Zamknij w oknie Fpanel, aby zamknąć zasuwę między komorą główną a zamkiem załadunku.
    9. Wybierz Topmount.shi z menu rozwijanego wyskakującego okienka, wybierz uchwyt próbki i kliknij OK. Obraz uchwytu na próbki Topmount pojawia się po prawej stronie graficznego interfejsu użytkownika programu Navigator.
    10. Poczekaj, aż poziom podciśnienia w komorze głównej osiągnie co najmniej 1.0E-8 mbar lub mniej.
  2. Rozruch pistoletu jonowego z ciekłym metalem (LMIG) i wyrównanie wiązki jonów
    1. Zaznacz pola LIMG, Analyzer i Illumination w oknie Power Control, aby włączyć pistolet jonowy ciekłego metalu (LIMG), analizator i źródło światła po przeniesieniu próbek do głównej komory próżniowej.
    2. Zaznacz pole LMIG pokazane w oknie Fpanel, aby aktywować zakładkę ustawień LMIG. Kliknij przycisk Start LMIG na podkarcie Source (Źródło) na karcie LIMG w oknie Instrument, aby aktywować LMIG.
    3. Wybierz predefiniowany plik z ustawieniami spektrometrii w wyskakującym oknie Ustawienia obciążenia i kliknij przycisk Otwórz.
      UWAGA: Bi3+ jest wybrany jako pierwotna wiązka jonów. Energia LMIG jest ustawiona na 25 kV. Szerokość rozdrabniacza LIMG jest ustawiona na 25 ns. Pozostałe ustawienia, w tym prąd emisji 1,0 μA; wartość opałowa wynosi 2,75 A; tłumik około 800-1,000 V; wyciąg 10 kV; źródło soczewki 3,3 kV; czas cyklu 100 μs; Zakres mas 1-870 U. Ustawienia mogą się różnić w zależności od modelu urządzenia, pozostałego okresu eksploatacji LMIG oraz wymagań dotyczących akwizycji dla określonych próbek.
    4. Wybierz LMIG w wyskakującym oknie Kategorie do załadowania, kliknij przycisk Wybrane, a następnie kliknij OK.
      UWAGA: Pełne uruchomienie LIMBIG zajmuje około 5 minut.
    5. Wybierz Dodatni z menu rozwijanego Ustawienia przyrządu w Fpanel, aby określić jony do wykrycia.
      UWAGA: Wybierz Ujemny z menu rozwijanego, jeśli mają być mierzone jony ujemne.
    6. Wybierz predefiniowany plik ustawień analizatora po kliknięciu przycisku Wczytywanie ustawień w Fpanel, aby aktywować analizator.
      UWAGA: Przyspieszenie analizatora jest ustawione na 9,5 kV; energia analizatora jest ustawiona na 2 kV; czujka jest ustawiona na 9 kV. Ustawienia analizatora mogą się różnić ze względu na konfigurację różnych modeli SIMS.
    7. Wybierz Puchar Faradaya z menu rozwijanego Pozycja kursora w graficznym interfejsie użytkownika Nawigatora. Kliknij przycisk Przejdź, aby przenieść scenę do Pucharu Faradaya.
      UWAGA: Przenieś stage do kubka Faradaya, aby uzyskać docelowy pomiar prądu.
    8. Wybierz widok Micro z listy rozwijanej Wideo w graficznym interfejsie użytkownika Nawigatora, aby wyświetlić pozycję filiżanki Faradaya.
    9. Kliknij środek kubka Faradaya w widoku Mikro w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora i wybierz opcję Drive to Marked Position (Jedź do oznaczonej pozycji) z menu rozwijanego po kliknięciu prawym przyciskiem myszy okna SE/SI Primary Gun (Pistolet główny) SE/SI w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora.
    10. Wybierz 20 μm x 20 μm z menu rozwijanego Określ pole widzenia rastra po kliknięciu prawym przyciskiem myszy okna SE/SI Primary Gun w graficznym interfejsie użytkownika Navigatora.
    11. Kliknij przycisk C w podzakładce Pistolet pod zakładką LIMG w oknie instrumentu, aby automatycznie wyrównać wiązkę jonów.
    12. Kliknij przycisk Start i zaznacz pole DC w podzakładce Pulsing pod zakładką LMIG, aby zmierzyć prąd docelowy.
    13. Kliknij X Blanking na podkarcie Focus pod zakładką LIMG i obróć kółko myszy, aby zmaksymalizować prąd docelowy. Kliknij Y Blanking na tej samej karcie, aby zmaksymalizować docelowy prąd.
      UWAGA: Prąd docelowy wiązki jonów mierzony w trybie spektrometrii mas powinien być większy niż 14 nA lub większy niż 0,5 pA w przypadku wybrania Bi3+, aby osiągnąć pożądane natężenia sygnałów jonowych.
    14. Kliknij przycisk Zatrzymaj na karcie podrzędnej Fokus, aby zatrzymać pomiar prądu docelowego.
  3. Regulacja ogniska wiązki w obszarze zainteresowania
    1. Naciśnij przycisk Z na panelu sterowania joysticka i popchnij joystick w górę, aby opuścić sample stage, aż stożek ekstraktora znajdzie się nad górną częścią zespołu interfejsu metal-farba.
      UWAGA: Bardzo ważne jest, aby podczas wykonywania tego kroku unikać kolizji między stożkiem ekstraktora a próbkami.
    2. Naciśnij przyciski X i Y na joysticku i przesuwaj joystick w lewo/w prawo i w górę/w dół, aby przesunąć zespół interfejsu, aż zostanie wyświetlony w widoku makr w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora.
    3. Przełącz się na widok mikro w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora, aby zlokalizować obszar zainteresowania (ROI) interfejsu metal-farba.
    4. Ustaw ROI na 300 μm x 300 μm po kliknięciu prawym przyciskiem myszy okna SE/SI Primary Gun w celu rozszerzenia pola view.
    5. Wybierz typ sygnału SI, rozmiar rastra 128 x 128 pikseli i typ rastra Losowy z pistoletu głównego SE/SI w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora.
    6. Kliknij przycisk czarnego trójkąta i przycisk Dostosuj SI w oknie pistoletu głównego SE/SI. Okrągły kształt obrazu jonów wtórnych (SI) zwrotu z inwestycji pojawi się w oknie SE/SI Primary Gun.
    7. Naciśnij przycisk Z na panelu sterowania joysticka. Przesuń joystick w górę lub w dół, aby przesunąć okrągły kształt obrazu SI do środka krzyża nitkowego w oknie pistoletu głównego SE/SI.
      UWAGA: Jeśli krzyż nitkowy znajduje się w środku okrągłego kształtu obrazu SI, oznacza to, że obraz został uzyskany z dobrą ostrością.
    8. Usuń zaznaczenie przycisku Dostosuj SI i kliknij kwadratowy przycisk w oknie SE/SI Primary Gun, aby zatrzymać regulację ostrości.
  4. Usuwanie powłoki powierzchniowej i zanieczyszczeń w trybie wysokoprądowym/DC
    1. Wybierz obraz SE z menu rozwijanego w oknie pistoletu głównego SE/SI, aby obserwować postęp czyszczenia DC.
    2. Zaznacz pole DC w Fpanel i kliknij przycisk czarnego trójkąta, aby rozpocząć czyszczenie DC.
      UWAGA: Pozostaw DC włączony przez 10 sekund lub do momentu, gdy obraz SE wskaże, że złota warstwa została usunięta. Czas czyszczenia DC może się różnić w zależności od grubości powłoki.
    3. Kliknij kwadratowy przycisk, aby zatrzymać czyszczenie DC, gdy obserwujesz, że złota powłoka jest usuwana za pomocą widoku mikro w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora.
    4. Przełącz obraz SE na obraz SI w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora.
      UWAGA: Powodem stosowania wiązki prądu stałego jest to, że wiązka prądu stałego (~14 nA) jest wystarczająco silna, aby usunąć powłokę Au i inne zanieczyszczenia powierzchniowe, podczas gdy prąd wiązki pulsacyjnej (~1 pA) nie jest odpowiedni.
  5. Włączanie kompensacji ładunku powierzchniowego za pomocą pistoletu przeciwpowodziowego
    1. Zaznacz pole Flood Gun w Fpanel, aby włączyć kompensację ładowania.
    2. Kliknij przycisk Załaduj plik ustawień w Fpanel. Wybierz predefiniowany plik z ustawieniami pistoletu powodziowego po kliknięciu Ustawienia ładowania, aby załadować ustawienia pistoletu powodziowego.
      UWAGA: Ustawienia pistoletu powodziowego obejmują: energię 20 V, anodę 300 V, opóźnienie 2.0 μs, prąd żarnika pistoletu powodziowego 2.4 A i wyprowadzenie pistoletu powodziowego 2.0 μs. Ustawienia pistoletu powodziowego mogą się różnić w zależności od instrumentu.
    3. Powtórz kroki 2.3.6-2.3.7, aby ponownie dostosować ostrość na ROI.
      UWAGA: Gdy tylko powłoka Au zostanie usunięta, wysokość ROI zmieni się. Dlatego konieczne jest ponowne wyregulowanie ostrości.
    4. Kliknij Reflektor na podkarcie TOF na karcie Analyzer/Main (Analizator/Główny) w oknie Instrument (Instrument window).
    5. Kliknij wartość po lewej stronie paska odbłyśnika, aby zmniejszyć napięcie odbłyśnika, aż zniknie okrągły kształt obrazu SI. Następnie zwiększ napięcie reflektora o 20 V.
      UWAGA: Ten proces jest wykonywany w celu zapewnienia płaskiej powierzchni obrazowania i maksymalnych sygnałów SI. W trybie ujemnym należy zwiększać napięcie reflektora, aż zniknie okrągły kształt obrazu SI, a następnie obniżyć je do 20 V.
    6. Powtórz krok 2.3.8, aby zatrzymać ustawianie ostrości i regulację napięcia reflektora.
  6. Pozyskiwanie widma masowego o wysokiej rozdzielczości
    1. Kliknij ikony widma i obrazu w Fpanel, aby otworzyć programy widma i obrazów.
    2. Wyświetl wybrany zwrot z inwestycji interfejsu metal-farba w widoku mikro.
    3. Kliknij przycisk trójkąta w graficznym interfejsie użytkownika Nawigatora, aby rozpocząć szybkie skanowanie, a widmo SIMS pojawi się w programie Spectrum; kliknij kwadrat, aby zatrzymać szybkie skanowanie.
      UWAGA: Szybkie skanowanie powinno obejmować tylko kilka skanów i zwykle zajmuje tylko kilka sekund.
    4. Wybierz Wzorcowanie masy z listy rozwijanej Widmo na pasku narzędzi programu Spectrum lub po prostu naciśnij F3, aby wyświetlić okno kalibracji masy po zakończeniu szybkiego skanowania.
    5. Wybierz rozpoznane piki, aby skalibrować widmo masowe, klikając odpowiednie piki, dodaj formułę w oknie kalibracji masy, a następnie kliknij przycisk OK, aby wyjść z okna kalibracji masy po zakończeniu wyboru piku.
      UWAGA: CH3+,C3H3+ i AlOH+ są wybrane do kalibracji dodatniego widma masowego; podczas gdy OH- oraz CN¬ i AlO- są wybrane do kalibracji ujemnego widma masowego. Piki wybrane do wzorcowania masy mogą się różnić w zależności od próbki. Odchylenie wybranych pików jest mniejsze niż 30 ppm, aby zapewnić dokładną identyfikację pików.
    6. Dodaj interesujące nas piki do listy pików, klikając pik wybranych jonów w widmie i klikając przycisk Dodaj pik na pasku narzędzi.
    7. Kliknij przycisk czerwonego trójkąta w Fpanel, aby otworzyć okno Rozpocznij pomiar.
    8. Ustaw Typ rastra na Losowy, 128 x 128 pikseli i 1 ujęcie/piksel, ustaw liczbę skanów na 60 skanów w wyskakującym okienku, a następnie kliknij OK, aby rozpocząć akwizycję widma masowego ROI.
      UWAGA: Akwizycja widma masowego zostanie automatycznie zatrzymana po uzyskaniu żądanej liczby skanów.
    9. Kliknij Zapisz plik w Fpanel, aby zapisać uzyskane widmo masy i nazwać je wyznaczoną nazwą pliku (np. traktowany roztworem soli, wystawiony na działanie powietrza).
    10. Zmień polaryzację na ujemną w Fpanel i powtórz kroki 2.5.3-2.6.9, aby uzyskać ujemne widmo masowe dla tego samego ROI.
      UWAGA: Widma masowe SIMS czterech różnych ROI każdej próbki zostały uzyskane dla polaryzacji dodatniej i ujemnej w tym badaniu.
  7. Zapis przeanalizowanej pozycji ROI do dodatkowej analizy
    1. Kliknij przycisk Dodaj w graficznym interfejsie użytkownika Nawigatora i wprowadź nazwę ROI w wyskakującym okienku (np. roztwór soli 1).
    2. Kliknij przycisk Stage Pos i kliknij przycisk OK, aby zapisać lokalizację ROI.
      UWAGA: Pozycja ROI jest zapisywana w celu dodatkowej analizy obrazowania SIMS.
  8. Pozyskanie obrazu SIMS w wysokiej rozdzielczości
    1. Kliknij przycisk Załaduj plik ustawień w Fpanel i wybierz predefiniowany plik ustawień obrazowania. Kliknij przycisk Otwórz, aby załadować ustawienia obrazowania.
      UWAGA: Najwyższa rozdzielczość boczna lub najmniejszy rozmiar plamki jest optymalizowany w trybie kolimowanym (tj. w trybie DC). W tym trybie najmniejsza apertura na linii badawczej określa kąt apertury. Zgodnie z ustawieniami konfiguracyjnymi ToF-SIMS, najwyższa rozdzielczość boczna występuje, gdy prąd stały wynosi około 50 pA, a ogniskowanie może osiągnąć około 100 nm. Aby osiągnąć tę rozdzielczość, zwiększ źródło obiektywu, obserwując spadający prąd stały, i zoptymalizuj wygaszanie X i wygaszanie Y, aż końcowy prąd stały osiągnie 50 pA. Poniżej znajduje się lista szczegółowych ustawień parametrów trybu obrazowania. Bi3+ jest wybierany jako pierwotna wiązka jonów. Energia LMIG jest ustawiona na 25 kV. Szerokość rozdrabniacza LIMG jest ustawiona na 100 ns, a przesunięcie rozdrabniacza jest ustawione na 30,9 ns. Pozostałe ustawienia obejmują prąd emisyjny 1,0 μA; wartość opałowa wynosi 2,75 A; tłumik około 800-1,000 V; wyciąg 10 kV; źródło soczewki 3,5 kV; czas cyklu 100 μs; Zakres mas 1-870 U.
    2. Wybierz LMIG w wyskakującym oknie Kategorie do załadowania.
    3. Powtórz kroki 2.2.7-2.2.14, aby zmierzyć prąd docelowy i wyrównać wiązkę jonów.
      UWAGA: Żądany prąd docelowy w trybie obrazowania powinien być większy niż 0.6 nA lub około 1 pA, jeśli do pomiaru wybrano Bi3+.
    4. Wybierz zapisaną pozycję ROI z listy rozwijanej Pozycja kursora w graficznym interfejsie użytkownika Nawigatora. Kliknij przycisk Go.
      UWAGA: Ten krok zapewnia, że widmo masowe i mapowanie obrazu są uzyskiwane z tego samego zwrotu z inwestycji.
    5. Powtórz kroki 2.5.4 i 2.5.5, aby wyregulować napięcie reflektora.
    6. Powtórz kroki 2.6.3-2.6.6, aby przeprowadzić wzorcowanie masy w trybie obrazowania.
      UWAGA: Jeśli oprogramowanie nie może zarejestrować wybranych pików podczas wzorcowania masy, zaznacz pole Użyj wybranego kanału w oknie Wzorcowanie masy.
    7. Powtórz kroki 2.6.7 i 2.6.8, aby zebrać dane obrazu.
      UWAGA: W trybie obrazowania ustaw typ rastra na Losowy, 256 x 256 pikseli i 1 ujęcie/piksel, ustaw liczbę skanów na 150 skanów i kliknij OK, aby rozpocząć pobieranie obrazu ROI. Rozdzielczość obrazu i skan mogą być różne i należy je określić w zależności od próbki.
  9. Pobieranie próbki z komory próżniowej
    1. Wybierz opcję Przenieś z listy rozwijanej Pozycja kursora w graficznym interfejsie użytkownika nawigatora i kliknij przycisk Przejdź, aby zbliżyć stolik próbki do bramki.
    2. Otwórz bramę, powtarzając krok 2.1.6.
    3. Wsuń ramię do przenoszenia próbki do komory głównej i obróć pręt ramienia zgodnie z ruchem wskazówek zegara i do przodu, aż zamocuje się do kołka uchwytu próbki.
    4. Obróć ramię transferowe z powrotem i wsuń je do końca.
    5. Zamknij bramę, klikając przycisk Zamknij na Fpanel i wybierz Brak uchwytu próbki w wyskakującym oknie Wybierz uchwyt próbki.
    6. Odkręć blokującą na drzwiach zamka ładunku i kliknij przycisk Stop w Fpanel, aby odpowietrzyć blokadę obciążenia.
      UWAGA: Odpowietrzanie trwa około 3-5 minut.
    7. Obróć ramię transferowe w prawo i obróć pręt ramienia przenoszącego w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby zwolnić uchwyt próbki.
    8. Odchyl ramię transferowe do tyłu i dokręć blokującą na drzwiach zamka załadunku.
    9. Kliknij przycisk Start w Fpanel, aby napompować blokadę obciążenia.
    10. Zdjąć zespół żywicy na styku metalu i farby z uchwytu na próbkę i umieścić je na czystej szalce Petriego.
  10. Wyłączanie kontrolera LIMG
    1. Kliknij przycisk Stop LMIG (Zatrzymaj LMIG) na karcie LMIG (LMIG) w oknie Instrument (Instrument window).
    2. Odznacz pola LMIG i Flood Gun w Fpanel i odznacz pole Illumination w oknie Power (Zasilanie).

3. Analiza danych ToF-SIMS

  1. Eksport danych o widmie SIMS
    1. Kliknij Plik na pasku narzędzi okna Spectrum Program i wybierz Eksportuj z listy rozwijanej.
    2. Nazwij plik widma, zapisz go w wyznaczonym folderze jako plik .txt i kliknij przycisk OK.
    3. Wpisz numer 10 w oknie podręcznym, aby zdefiniować kanał kategoryzacji, a następnie kliknij przycisk OK.
      UWAGA: Binning 10 kanałów przed eksportem widm masowych jest powszechnie stosowaną metodą zmniejszania rozmiaru danych przy jednoczesnym zachowaniu rozdzielczości i dokładności masy.
    4. Wyeksportuj dane obrazu karty SIMS.
    5. Kliknij ikonę programu do tworzenia obrazów i kliknij dwukrotnie pobrane pliki obrazów, aby wyświetlić obrazy SIMS.
    6. Przeciągnij obraz określonego gatunku chemicznego z listy do okna wyświetlania obrazu i kliknij dwukrotnie ten obraz, aby otworzyć poniższe okno przetwarzania obrazu.
    7. Znormalizuj obraz wybranych związków chemicznych do obrazów jonów całkowitych, wybierając opcję Normalizuj z listy rozwijanej w oknie procesu obrazu.
    8. Zastosuj tę samą skalę kolorów, aby porównać rozkład chemiczny między różnymi próbkami, dostosowując skalę kolorów w oknie procesu przetwarzania obrazu.
      UWAGA: Surowe dane obrazów można eksportować i drukować za pomocą innego oprogramowania graficznego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 3 przedstawia porównanie widm masowych między powierzchnią styku metalu i farby potraktowanej roztworem soli a powierzchnią styku wystawioną na działanie powietrza. Widma masowe obu próbek uzyskano za pomocą skanowania wiązką jonów Bi3+ 25 kV w ROI 300 μm x 300 μm. Rozdzielczość masowa (m/∆m) próbki poddanej działaniu roztworu soli wynosiła około 5600 w szczytowym momencie m/z-26. Surowe dane widm masowych zostały wyeksportowane po zabinningowaniu 10 ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ToF-SIMS różnicuje jony w zależności od czasu ich przelotu między dwoma scyntylatorami. Topografia lub chropowatość próbki wpływa na czas lotu jonów z różnych pozycji początkowych, co zwykle prowadzi do słabej rozdzielczości masy przy zwiększonej szerokości pików. Dlatego bardzo ważne jest, aby analizowane zwroty z inwestycji były bardzo płaskie, aby zapewnić dobre zbieranie sygnału8.

Kolejną pułapką, której należy unikać, jest ładowanie. Ponieważ interfejs Al-paint zos...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca została sfinansowana przez Program QuickStarter wspierany przez Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). PNNL jest obsługiwany przez Battelle dla Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Praca ta została wykonana przy użyciu IONTOF ToF-SIMS V, znajdującego się w Zakładzie Nauk Biologicznych (BSF) w PNNL. JY i X-Y Yu potwierdzili również wsparcie ze strony Wydziału Nauk o Atmosferze i Globalnych Zmianach (ASGC) oraz Dyrekcji Nauk Fizycznych i Obliczeniowych (PCSD) w PNNL

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
0,05 &mikro; m Roztwór do polerowania krzemionki koloidalnejLECO812-121-300Końcowy roztwór do polerowania
1 i mikro; m roztwór do polerowaniaPace TechnologiesPC-1001-GLBRoztwór do polerowania na bazie wody
15 & mikro; m roztwór do polerowaniaPace TechnologiesPC-1015-GLBRRoztwór do polerowania na bazie wody
3 i mikro; m roztwór do polerowaniaPace TechnologiesPC-1003-GLGRoztwór do polerowania na bazie wody
6 i mikro; m roztwór do polerowaniaPace TechnologiesPC-1006-GLYRoztwór do polerowania na bazie wody
BalanceMettler Toledo 11106015Służy do pomiaru chemikaliów.
Utwardzacz epoksydowy Epothin 2Buehler20-3442-064Używany do odlewania mocowań próbek
Żywica epoksydowa Epothin 2Buehler20-3440-128Używany do odlewania mocowań próbek
Czujnik przewodności do szybkiej chromatografii cieczowej białek (FPLC)Amersham AKTA FPLCSłuży do pomiaru przewodności roztworu soli.
Końcowa podkładka BAllied90-150-235Używana do 1 i mikro; m oraz 0,05 &mikro; m  kroki polerowania
KCl Sigma-AldrichP9333Służy do sporządzania roztworu soli.
Piła wolnoobrotowaBuehler Isomet11-1280-160Służy do cięcia odcinków Al, które są zamocowane w żywicy epoksydowej.
MgCl2Sigma-Aldrich63042Służy do sporządzania roztworu soli.
MgSO4Sigma-AldrichM7506Służy do sporządzania roztworu soli.
NaClSigma-AldrichS7653Służy do sporządzania roztworu soli.
NaOHSigma-Aldrich306576Służy do regulacji pH roztworu soli.
FarbaRdza-Oleum 245217Uniwersalna farba w sprayu ogólnego przeznaczenia z połyskiem w kolorze czarnym. Służy do natryskiwania kuponów Al. 
Pad polerski Pan-WLECO809-505Używany do 15, 6 i 3 i mikro; m etapy polerowania
pH-metrFisher Scientific13-636-AP72Służy do pomiaru pH roztworu soli.
Pipeta Thermo Fisher Naukowe Zakres: od 10 do 1 000 i mikro; L
Końcówka do pipet 1Neptun 2112.96.BS 1 000 i mikro; L
Końcówka do pipet 2Rainin1700186520 µ L
Papier z węglika krzemuLECO810-251-PRMPapier szlifierski, ziarnistość 240
Powlekarka napylającaCressington108Służy do powlekania próbki.  
Tegramin-30 Polerka półautomatycznaStruers6036127Polerowanie zgrubne/dokładne/szlifowanie
ToF-SIMSIONTOF GmbH, Mü nster, NiemcyToF-SIMS V, wyposażony w pistolet jonowy Bi ciekłego metalu i pistolet powodziowySłuży do pozyskiwania widm masowych i obrazów próbki.
Polerka wibracyjna Vibromet 2Buehler67-1635-160Końcowy etap polerowania

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Szklarska-Smialowska, Z. Pitting corrosion of aluminum. Corrosion Science. 41, 1743-1767 (1999).
  2. Liu, M., et al. A first quantitative XPS study of the surface films formed, by exposure to water on Mg and on the Mg-Al intermetallics: Al3Mg2 and Mg17Al12. Corrosion Science. 51 (5), 1115-1127 (2009).
  3. Linford, M. R. An introduction to time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Vacuum Technology & Coating. , (2014).
  4. Cushman, C., et al. A pictorial view of LEIS and ToF-SIMS instrumentation. Vacuum Technology & Coating. , 27-35 (2016).
  5. Soler, L., et al. Hydrogen generation by aluminum corrosion in seawater promoted by suspensions of aluminum hydroxide. International Journal of Hydrogen Energy. 34 (20), 8511-8518 (2009).
  6. Ahmad, Z., Abdul Aleem, B. J. Degradation of aluminum metal matrix composites in salt water and its control. Materials & Design. 23 (2), 173-180 (2002).
  7. Verdier, S., Metson, J. B., Dunlop, H. M. Static SIMS studies of the oxides and hydroxides of aluminium. Journal of Mass Spectrometry. 42 (1), 11-19 (2007).
  8. Esmaily, M., et al. A ToF-SIMS investigation of the corrosion behavior of Mg alloy AM50 in atmospheric environments. Applied Surface Science. 360, 98-106 (2016).
  9. Hunt, C. P., Stoddart, C. T. H., Seah, M. P. The surface analysis of insulators by SIMS: Charge neutralization and stabilization of the surface potential. Surface and Interface Analysis. 3 (4), 157-160 (1981).
  10. Stingeder, G. Quantitative distribution analysis of B, As and Sb in the layer system SiO2/Si with SIMS: elimination of matrix and charging effects. Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie. 327 (2), 225-232 (1987).
  11. Cushman, C., et al. Sample Charging in ToF-SIMS: How it Affects the Data that are Collected and How to Reduce it. Vacuum Technology & Coating. , (2018).
  12. Dubey, M., Brison, J., Grainger, D. W., Castner, D. G. Comparison of Bi(1), Bi(3) and C(60) primary ion sources for ToF-SIMS imaging of patterned protein samples. Surface and Interface Analysis: SIA. 43 (1-2), 261-264 (2011).
  13. Kozole, J., Winograd, N. Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry. Surface Analysis and Techniques in Biology. Smentkowski, V. S. , Springer International Publishing. Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London. 71-98 (2014).
  14. Tyler, B. J., Rayal, G., Castner, D. G. Multivariate analysis strategies for processing ToF-SIMS images of biomaterials. Biomaterials. 28 (15), 2412-2423 (2007).
  15. Song, W., et al. Corrosion behaviour of extruded AM30 magnesium alloy under salt-spray and immersion environments. Corrosion Science. 78, 353-368 (2014).
  16. Esmaily, M., et al. On the capability of in-situ exposure in an environmental scanning electron microscope for investigating the atmospheric corrosion of magnesium. Ultramicroscopy. 153, 45-54 (2015).
  17. Liao, J., Hotta, M., Motoda, S. -i, Shinohara, T. Atmospheric corrosion of two field-exposed AZ31B magnesium alloys with different grain size. Corrosion Science. 71, 53-61 (2013).
  18. deVries, J. E. Surface characterization methods- XPS,TOF-SIMS, and SAM a complimentary ensemble of tools. Journal of Materials Engineering and Performance. 7 (3), 303-311 (1998).
  19. Zhang, H. Surface characterization techniques for polyurethane biomaterials. Advances in Polyurethane Biomaterials. Cooper, S. L., Guan, J. , Woodhead Publishing. 23-73 (2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Time of Flight Secondary Ion Mass SpectrometryToF SIMSMetal Paint InterfaceCorrosion AnalysisChemical MappingSurface Ion ImagingAluminum AlloySalt Solution ExposureSecondary Ion Mass SpectrometrySurface Sensitivity

Powiązane artykuły