Co-localização Kelvin Sonbe Force Microscopy com outras microscopias e espectroscopias: aplicações selecionadas na caracterização de corrosão de ligas

A microscopia de força da sonda Kelvin, ou KPFM, mede a topografia de superfície e as diferenças no potencial de superfície na escala nano, enquanto a microscopia eletrônica de varredura, ou MEV, pode elucidar composição, cristalinidade e orientação cristalográfica. A colocalização de MEV ou outras técnicas de microscopia com o KPFM pode permitir a identificação direta da estrutura do material, as relações de desempenho da propriedade inacessíveis por meio de uma única técnica. A colocalização de MEV ou outras técnicas de microscopia com o KPFM pode fornecer informações sobre os efeitos da composição em nanoescala e da estrutura da superfície nos mecanismos de iniciação e propagação da corrosão.

A calibração da sonda KPFM e os fiduciais que marcam a região de interesse, origem e orientação são cruciais para o sucesso deste método. Um porta-luvas para minimizar a umidade também é altamente benéfico. Demonstrando o procedimento estará Olivia Maryon, uma atual aluna de doutorado no laboratório de química elétrica aplicada e corrosão do professor Mike Hurley, uma ex-pesquisadora de AFM de graduação do meu laboratório.

Para começar, prepare amostras para atender aos requisitos dimensionais do AFM e outras ferramentas de caracterização a serem empregadas. Use microscopia óptica para determinar se o polimento é suficiente e garantir que a amostra praticamente não tenha arranhões visíveis na superfície. Implemente o método de colocalização desejado para criar uma origem e eixos.

Certifique-se de que a amostra esteja lisa o suficiente na parte inferior para selar contra o vácuo do mandril da amostra do estágio AFM, exiba rugosidade superficial mínima sem detritos soltos e forneça um caminho condutor da base para a superfície superior. Para fazer isso, carregue a amostra no mandril e ligue o vácuo do mandril usando o interruptor da alavanca liga-desliga. Aplique uma linha fina de pasta de prata condutora para fornecer um caminho elétrico contínuo da amostra para o mandril.

Uma vez que a pasta de prata tenha secado, use um multímetro para garantir que a superfície superior da amostra tenha boa continuidade para o estágio da amostra. Abra o software de controle AFM. Na janela Selecionar Experimento que é aberta, selecione a categoria de experimento, o grupo de experimentos e o experimento apropriados.

Em seguida, clique em Carregar Experimento para abrir o fluxo de trabalho desejado. Depois que o fluxo de trabalho do experimento for aberto, clique em Configuração no fluxo de trabalho. Ao usar luvas condutoras para evitar a descarga eletrostática, monte cuidadosamente e prenda uma sonda AFM condutora no suporte da sonda apropriado.

Instale o suporte da sonda na cabeça AFM, tomando o cuidado de primeiro descarregar qualquer acúmulo estático tocando o lado do gabinete AFM antes de alinhar os orifícios no suporte da sonda com os pinos de contato na cabeça AFM. No menu Configuração da sonda, verifique se o tipo de sonda que está sendo usado é exibido. Se necessário, clique em Selecionar sonda e escolha o tipo de sonda correto no menu suspenso.

Em seguida, clique em Retornar e salvar alterações. No menu Dica de Foco, coloque o final do cantilever em foco usando as setas para cima e para baixo do controle de foco. Ajuste a velocidade de foco, o zoom óptico e a iluminação de vídeo conforme necessário.

Alinhe a mira sobre o local da ponta clicando na imagem óptica no local correspondente à posição da ponta abaixo do balanço com base no recuo conhecido da ponta da extremidade distal do balanço. Usando os botões de alinhamento a laser na cabeça AFM, otimize o alinhamento a laser apontando o laser para o centro da parte de trás do cantilever da sonda em direção à extremidade distal e centralizando o feixe refletido no detector sensível à posição, ou PSD, para maximizar a tensão de soma, minimizando as deflexões verticais e horizontais. Selecione a janela Navegar no fluxo de trabalho do software de controle AFM e mova a sonda sobre a amostra usando as setas de controle X-Y de movimento de palco.

Coloque a superfície da amostra em foco usando as setas de varredura para cima e para baixo. Em seguida, use as setas de controle X-Y do movimento do estágio novamente para localizar a origem designada e mover-se para a região de interesse. Use o controle X-Y de movimento do palco para posicionar um recurso facilmente identificável diretamente abaixo da ponta da sonda.

Uma vez sobre o recurso, aumente o zoom e corrija a paralaxe induzida pela óptica da câmera montada lateralmente clicando em Calibrar na barra de ferramentas e selecionando Colinearidade do Eixo SPM Óptico e Óptico. Percorra as etapas de calibração de colinearidade clicando em Avançar. Alinhe a mira sobre a mesma característica distintiva em cada uma das imagens ópticas apresentadas antes de clicar em Concluir.

Em seguida, clique em Navegar no fluxo de trabalho do software para continuar. Localize a origem designada e alinhe os eixos de coordenadas X e Y de acordo, centralizando a ponta da sonda sobre a origem. Para permitir a navegação repetível para a região de interesse desejada e a colocalização com outras técnicas de caracterização, observe os valores de posição X e Y mostrados na parte inferior da janela do software.

Clique em Palco na barra de ferramentas e selecione Definir referências. Enquanto estiver sobre a origem designada, clique em Marcar ponto como origem em Definir origem para zerar os valores de localização X e Y. Em seguida, mova o teste para o ROI desejado e observe a distância da origem até o ROI exibido como os valores X e Y na parte inferior da tela.

Se estiver usando um sistema ambiente, feche e trave o exaustor acústico ao fechar o AFM. Selecione a janela de fluxo de trabalho Verificar parâmetros e verifique se os parâmetros de imagem iniciais padrão são aceitáveis. Vá para as configurações do microscópio na barra de ferramentas.

Selecione Configurações de engajamento e verifique se os parâmetros de engajamento padrão são aceitáveis, modificando-os, se desejado. Clique no botão Ativar no fluxo de trabalho para ativar na superfície. Monitore o processo de engajamento para garantir que a ponta se encaixe corretamente.

Uma vez engatado, alterne o tipo de exibição da curva de força versus tempo para força versus Z clicando com o botão direito do mouse na curva e selecionando Switch Display Type. Otimize a topografia AFM e os parâmetros KPFM na janela Parâmetros da interface de varredura. Depois de definir um caminho de diretório apropriado e um nome de arquivo em Capturar, clique em Capturar Nome do Arquivo.

Clique no ícone de captura para configurar a captura da próxima imagem completa desejada. Em seguida, clique em Retirar no fluxo de trabalho depois que a imagem for capturada. Certifique-se de que a amostra inibe o carregamento.

Se a amostra não for suficientemente condutora, considere o revestimento de carbono antes da imagem. Carregue a amostra na câmara MEV. Feche e bombeie a câmara.

Ligue o feixe de elétrons usando o botão Feixe Ligado e reduza o zoom opticamente usando o botão de ampliação para obter o campo de visão máximo da superfície da amostra. Localize a origem designada e, em seguida, aumente o zoom usando o botão de ampliação. Oriente os eixos X e Y de acordo com os marcadores fiduciais inserindo valores na rotação do estágio em Opções de inclinação.

Aumente o zoom conforme necessário, capture as imagens desejadas do ROI designado e salve os arquivos. Use o software apropriado para cada ferramenta de caracterização para processar os dados brutos conforme necessário. Salve e exporte as imagens KPFM e SEM adquiridas no formato de arquivo desejado.

Depois de abrir o arquivo de dados KPFM, aplique um ajuste de plano de primeira ordem ao canal de topografia AFM das imagens KPFM para remover a ponta e a inclinação da amostra, bem como um achatamento de primeira ordem, se necessário, para compensar quaisquer deslocamentos linha a linha devido ao desgaste da sonda ou à coleta de detritos na ponta da sonda. Selecione o esquema de cores ou gradiente desejado para as imagens KPFM selecionando primeiro a miniatura do canal potencial à esquerda da imagem da topografia AFM e, em seguida, clicando duas vezes na barra de escala de cores à direita do mapa de diferença de potencial KPFM Volta para abrir a janela Ajuste da escala de cores da imagem na guia Escolher tabela de cores. Na guia Escala de Dados Modificada da janela Ajuste da Escala de Cores da Imagem, insira os valores mínimo e máximo apropriados no intervalo da barra de escala para a imagem VPD da KPFM.

Repita esse processo para a imagem de topografia AFM depois de primeiro selecionar novamente a imagem em miniatura do canal do sensor de altura. Salve as exportações de qualidade de diário da imagem de topografia AFM processada e do mapa VPD KPFMV como arquivos de imagem. Abra a imagem de topografia AFM processada e o mapa VPD KPFM, juntamente com a imagem SEM bruta, no software de manipulação de imagem de sua escolha.

Identifique a origem especificada nos dados do AFM KPFM e nas imagens SEM. Sobreponha as origens nas duas imagens. Em seguida, alinhe rotacionalmente as imagens usando os eixos de coordenadas X e Y designados pelos marcadores fiduciais ou características escolhidos.

Dimensione as imagens conforme necessário. Um padrão assimétrico de três nano recuos foi criado e utilizado como marcadores fiduciais para permitir a colocalização de KPFM e SEM EBSD. O recuo de origem é indicado nas imagens MEV por um triângulo com os dois eixos indicados por círculos.

Imagens colocalizadas de alta resolução foram então realizadas na região delineada pelo retângulo sólido. A inclusão de um dos recuos fiduciais marcados por um círculo permitiu a sobreposição precisa das imagens de topografia de elétrons retroespalhados e AFM. A orientação cristalográfica EBSD resultante e os mapas potenciais KPFM Volta também poderiam ser colocalizados.

Conforme indicado pelas setas, varreduras de linha nas mesmas regiões amostrais nos mapas EBSD e KPFM permitiram a correlação de diferenças na orientação cristalográfica com pequenas mudanças no potencial de Volta medido. A microscopia Raman confocal mostrou que o óxido de zircônio rico em tetragonal estava preferencialmente localizado perto da interface do óxido metálico. O KPFM colocalizado descobriu que este óxido rico em tetragonais é significativamente mais ativo do que a região adjacente de óxido de zircônio mais nobre e rica em monoclínica.

Da mesma forma, o mapeamento KPFM através da partícula catódica brilhante embutida no metal zircônio mostrou um grande aumento no potencial relativo de Volta, que também se correlacionou com uma mudança significativa no espectro Raman. Marcas fiduciais facilmente identificáveis na etapa 2.2 são fundamentais para a colocalização. Para evitar possíveis danos ou contaminação da amostra, o KPFM deve normalmente ser realizado antes de outros métodos de caracterização na etapa quatro.

Além das microscopias eletrônicas e Raman, outras técnicas complementares de caracterização em micro a nanoescala, incluindo microscopia de super resolução baseada em fluorescência, podem ser colocalizadas com KPFM ou outros modos avançados de microscopia de sonda de varredura. A condução do KPFM em um porta-luvas de atmosfera inerte de baixa umidade para controlar a umidade e a umidade da superfície pode melhorar a resolução espacial e a reprodutibilidade dos potenciais de Volta medidos da KPFM.