Summary
Detta papper ger en detaljerad metod för att karakterisera mikrostrukturen hos ultra finkorniga och nanokristallina material med användning av ett svepelektronmikroskop utrustat med en standard elektron backscatter diffraktion system. Metallegeringar och mineraler presenter raffinerade mikrostrukturer analyseras med användning av denna teknik, som visar mångfalden av dess möjliga tillämpningar.
Abstract
En av utmaningarna i mikrostrukturen analys ligger numera i tillförlitlig och noggrann karakterisering av ultra finkornigt (UFG) och nanokristallina material. De traditionella tekniker i samband med svepelektronmikroskopi (SEM), såsom elektron backscatter diffraktion (EBSD), besitter inte den erforderliga rumsupplösning på grund av den stora interaktionsvolym mellan elektroner från strålen och atomerna av materialet. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) har den erforderliga rumsupplösning. Emellertid, på grund av brist av automatisering i analyssystemet, är hastigheten för datainsamling långsam vilket begränsar området av provet som kan karakteriseras. Detta papper presenterar en ny karakterisering teknik, Transmission Kikuchi Diffraction (TKD), vilket möjliggör analys av mikrostrukturen hos UFG och nanokristallina material med användning av en SEM utrustad med en standard EBSD system. Den rumsliga upplösningen av denna teknik kan nå 2 nm.Denna teknik kan tillämpas på ett stort urval av material som skulle vara svåra att analysera med användning av traditionell EBSD. Efter det att försöks ställa in och som beskriver de olika stegen som är nödvändiga för att förverkliga en TKD analys, är exempel på dess användning på metallegeringar och mineraler visas för att illustrera upplösningen av tekniken och dess flexibilitet i tid av material som skall karakteriseras.
Introduction
En av dagens forsknings gränser i avancerade material söker att aktivt utforma material med skräddarsydda fysikaliska, kemiska och mekaniska egenskaper som lämpar sig för avancerade tillämpningar. Modifiering av materialets mikrostruktur är ett effektivt sätt att skräddarsy dess egenskaper för att nå specifik hög prestanda. I detta paradigm, att förfina kornstorleken hos kristallina material producera ultra-finkornig (UFG) eller nanokristallina material har visat sig vara en effektiv teknik för att öka deras styrka 1, 2. Sådan förfinad mikrostruktur kan uppnås genom processer som inbegriper svår plastisk deformation 3, 4, eller genom att konsolidera ultrafina eller nanostorlek pulver i bulkmaterial med hjälp av olika pulvermetallurgi bearbetar 5, 6. Forskning inom detta område har varit increasing under de senaste tio åren, med de huvudsakliga målen är att skala upp de processer och för att förstå de deformationsmekanismer av sådana material.
UFG och nanokristallina material, dock inte begränsat till moderna tillämpningar inom materialvetenskap, eftersom naturen har sitt eget sätt att producera sådana raffinerade kristallina material. Geologiska förkastningszoner är kända för att producera nanokristallina regioner; även om de ofta antas vara amorf på grundval av ljusmikroskopiska studier, högupplösande transmissionselektronmikroskopi (TEM) och svepelektronmikroskopi (SEM) analyser har ofta visat att kornstorlekar kan vara på skalan av tiotal nanometer 7. Hög töjningshastighet deformation episoder, som de under meteoritnedslag, kan också producera nanokristallina strukturer samt extremt höga defektdensitet 8. Deformation är inte alltid ett krav för nanostrukturer i naturen. Pearce et al. 9. Skalkonstruktioner, såsom pärlemor, bildas genom regelbunden sammansättning av kristallina enheter på skalan av ett fåtal hundra nm 10. Även meteoriter har visats innehålla UFG mineralstrukturer 11.
Oavsett varifrån material som har dessa UFG eller nanokristallina strukturer, som kännetecknar dem är en utmaning som har föranlett utvecklingen av förbättrade karakterisering verktyg på nanonivå. En lovande väg som har undersökts är elektronmikroskopi. Sådan teknik visas perfekt anpassad för denna uppgift, eftersom den i sig liten elektron våglängd, förknippad med dess användning, erbjuder möjligheten att analysera den atomära strukturen hos material 12. Det har redan visats att Electron Backscatter Diffraction (EBSD) kan användas för att karakterisera UFG material med kornstorlekar ner till sub-mikronskala 13, 14, 15, 16. Emellertid, den rumsliga upplösningen hos EBSD teknik, även med de aktuella mest avancerade SEM, är begränsad till 20 till 50 nm beroende på det material 17. Det är därför inte förvånande att initialt forskarna sökt lösningar för att karaktärisera dessa material med ultrafina mikro med TEM. Kristallografiska orienteringen bestämning med användning av brytningslägen i TEM, såsom Kikuchi mönster och fläckmönster, kan nå spatiala upplösningar av storleksordningen 10 nm och i vissa fall under detta värde 12, 18, 19. Men vissa nackdelar har been identifierades med användning av dessa tekniker, såsom deras hastighet och vinkel resolutioner, särskilt jämfört med de möjligheter som EBSD 12, 19. Även om automatiserade precession baserade TEM diffraktion tekniker kan uppnå liknande indexerings hastigheter som EBSD, de flesta TEM tekniker lider av relativt låga nivåer av automatisering 19. Dessutom TEM tekniker kräver i allmänhet kritiska och tidskrävande ändringar av instrumentets linssystemet för att uppnå optimal prestanda.
Mer nyligen, har intresset skiftat mot att förbättra upplösningen av Kikuchi diffraktion tekniken inom SEM, genom att ändra det sätt på vilket signalen erhålles och analyseras. Keller och Geiss presenteras en ny form av låg-energiöverföring Kikuchi diffraktion utförs i SEM 20. Den metod, som de kallas transmission-EBSD (t-EBSD), nödvändiggör en EBSD detektoroch tillhörande mjukvara för att fånga och analysera vinkelintensitetsvariation i stor vinkel framåtspridning av elektroner i transmission. Med denna teknik, kunde de samla Kikuchi mönster från nanopartiklar och nano korn med storlekar så låga som 10 nm i diameter. Det faktum att de diffrakterade elektronerna som analyseras i detta fall går genom provet och är inte kastas ut tillbaka från ytan av provet, lett till en förändring i terminologi för att mer korrekt beskriva tekniken; det nu kallas Transmission Kikuchi diffraktion eller TKD. Den TKD tekniken optimeras av Trimby att möjliggöra bättre upplösning och den automatiska förvärvet av orienteringskartor 17. Denna teknik kan även kopplas med energispridande röntgenspektroskopi (EDS) för att samla in kemisk information under utförande av den kristallografiska orienteringsanalys 21.
Detta dokument ger krav på utrustningoch prover för att genomföra TKD experiment, beskriver de olika stegen som är nödvändiga för datainsamling, och presenterar resultat som uppsamlats på fyra olika prover för att visa omfattningen av de möjliga tillämpningarna av tekniken. De exempel som presenteras här är antingen metalliska legeringar som har utsatts för kraftig plastisk deformation för att skapa UFG / nanokristallina material eller geologiska material som också har utsatts för kraftig plastisk deformation och nuvarande förfinade mikrostrukturer.
Protocol
1. Utrustning och Provkrav
- Använda ett SEM utrustad med en EBSD detektor för att utföra experimentet.
OBS: Helst SEM bör ha en fältemissionskälla för att maximera rumslig upplösning, men tekniken kommer att fungera på alla typer av SEM. - Säkerställa att de prov som skall analyseras har en tjocklek i området av 100 nm för optimala resultat 17. Kontrollera att provet är tillräckligt tunn för att kunna utföra TKD analysen.
OBS: Detta kan göras med användning forescatter detektorer, den tunnare provet, desto mörkare det kommer att använda som avbildningsteknik.- Förbereda provet med användning av traditionella tekniker för TEM folieprovberedning såsom genom att använda en grop kvarn och sedan antingen elektropolering eller jon polering eller genom att använda lyftningsteknik med användning av en fokuserad jonstråle (FIB), om de funktioner som skall analyseras är lägesspecifik .
OBS: Beredningen tekniker inte EXPLained i detalj här eftersom de inte är föremål för detta dokument och är desamma som de väletablerade teknikerna för TEM provberedning 22. Användarna kommer att behöva bestämma vad den lämpliga provberedningsteknik är för sina egna prov. Information kan hittas i 22.
- Förbereda provet med användning av traditionella tekniker för TEM folieprovberedning såsom genom att använda en grop kvarn och sedan antingen elektropolering eller jon polering eller genom att använda lyftningsteknik med användning av en fokuserad jonstråle (FIB), om de funktioner som skall analyseras är lägesspecifik .
2. experimentuppställningen
- Placera provet på en provhållare som tillåter provet att stå i 20 ° från det horisontella gång inne i SEM kammaren. Detta gör det möjligt provet vara hängande över karusellen gång placeras i en horisontell positon efter tippning av scenen av 20 ° (se steg 2,4) för att undvika skuggeffekter under datainsamling med EBSD kameran.
OBS: Special provhållare har utformats för detta ändamål och ett exempel visas i figur 1. Om provet är en FIB lyft ut provet på en TEM rutnät, säkerställa att provet är på den nedre ytan of stödgallret.
Figur 1. TKD provhållare. Flera prover kan analyseras under en session utan behovet av att åter-öppna SEM kammaren. Det är viktigt TEM folien är placerad på ett sådant sätt att ingen hållare eller stöd förhindrar elektronerna som skall diffrakteras från provet och som skall samlas in av EBSD kameran. Använd inte nät som kommer att störa den insamlade signalen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Plats provhållare i SEM kammaren, stänga kammaren och starta vakuum pumpning som för alla andra prov genom att klicka på pumpen i fliken vac.
- Användning i-kammare plasmarengöring för att förhindra förorening.
OBS: Detta steg är valfritt men rekommenderared att förbättra datakvaliteten och tillförlitligheten. Om tekniken är tillgänglig med SEM, bör rengöring ske under ett par minuter. - Luta SEM steget genom 20 ° medurs så att provet är nu på ett horisontellt läge och vinkelrätt mot elektronstrålen. Om provet inte är plan och kastar skuggor på EBSD detektorn fosforskärm (såsom vid användning av FIB lyft ut prover på en TEM stödgaller), luta tillbaka till 10 ° eller 0 °, så att provet lutas bort från EBSD detektor.
- Ställ in SEM förutsättningar för optimal datainsamling: ställ den accelererande spänningen vid 30 keV genom att klicka på EHT ( "Extra High Tension") väljer EHT ON för att slå på accelerationsspänning och valde det korrekta värdet av EHT. Gå till fliken öppningen hos SEM-kontrollpanel och välj en hög bländare (t.ex. 60 eller 120 | j, m), välj hög strömmoden eller skärpedjup läge (beroende på SEM) och ange lämplig strålströmmen (ungefär 3- 4nA för en 60-um öppning och 10-20 nA för en 120-um bländare).
- Att objektet vid ett arbetsavstånd av 6 till 6,5 mm genom att ändra z-positionen av provet.
OBS: Detta beror på SEM och konfigurationen av EBSD detektor; provet bör placeras strax ovanför nivån av toppen av fosforskärmen. - Se till att provhållaren är parallell med x-axeln av scenen för att undvika eventuella skador på utrustningen under förflyttning provet och för att få den optimala signalen.
OBS: Inte bara kontrollera genom att titta på provet position på CCD-kameran flyttar provet i x-led och se till att avståndet till scenen inte har ändrats. - Flytta scenen för att lokalisera provet och kontrollera att strålen slår provet vid positionen av intresse (där TKD avsökningen kommer att utföras) på provet med användning av sekundär elektronbildframställning.
- Välja den sekundära elektrondetektor i Detector fliken på SEM-kontrollpanelen.
- Slå på EBSD programvara och sätt i EBSD kameran genom att trycka på "i" -knappen på kontrollboxen av EBSD kameran till ett avstånd på 15 till 20 mm från provet med hjälp av den externa styrenheten eller mjukvaran.
- Om det behövs för analysen, sätt i EDS-detektor i kammaren genom att klicka på "i" -knappen på EDS kamerakontrollpanelen. Den optimala positionen kan inte vara samma som för den vanliga EDS-analys, så titta på någon räkningssignal, och se till att dödtiden är mellan 20 och 50% för insamling optimal data, för att bestämma den optimala positionen för just den experimentella upplägg .
OBS: Det är möjligt i detta fall att justera arbetsavståndet för att förbättra EDS data, men det kommer att ske på bekostnad av kvaliteten på de diffraktionsmönster som samlats in av EBSD kameran. Figur 2 illustrerar den experimentella konfigurationen för datainsamling där både EBSD kameranoch EDS-detektor har införts i kammaren. - När alla detektorerna är placerade och provet har lokaliserats, utföra ljushöjden genom att välja Focus Wobble kryssrutan på fliken öppning SEM kontrollpanel och justering av de horisontella och vertikala rattar för öppningen inriktning på styrkortet. Utför fokus justering och astigmatism korrigering genom att justera de horisontella och vertikala rattarna för stigmation på styrkortet. Syftet med detta steg är att få den skarpaste möjliga bild.
OBS: samtidigt samla EDS uppgifter se till att välja rätt provhållare för tillförlitliga uppgifter. Använd inte en provhållare tillverkad av samma material som analyseras annars blir det omöjligt att skilja signalen från provet från den signal som kommer från provhållaren och se till att det inte finns någon överlappning för diffraktionstopparna från materialet som analyseras och från vilken provhållaren är galene.
Figur 2. Experimentell set-up. Provet är på ett horisontellt läge efter rotation av scenen. Detta begränsar inblandning av scenen och karusellen med den signal som kommer att samlas på fosforskärmen för EBSD kameran. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
3. EBSD Software Parametrar för datainsamling
OBS! Datainsamlings parametrar är olika för specifika kommersiellt tillgängliga EBSD system. Detta avsnitt är skrivet så generellt som möjligt, men några av namnen och värdena för de parametrar som anges här är bara lämpligt om man använder EBSD programvara som nämns i Materials List, och användare av olika system kommer att need att justera dessa parametrar enligt deras eget system. De flesta av dessa steg är exakt densamma som för en vanlig EBSD experiment.
- Se till att provgeometrin i EBSD programmet återspeglar det faktum att provet är i horisontellt läge. Säkerställa att den totala lutningsvärdet är 0 °. Om inte, lägga till en -20 ° pre-tilt värde på fliken provgeometrin.
- Välja fas (er) (vilka element eller förening) som skall analyseras som för en normal EBSD experiment i fliken fasen.
- Ta en bild med hjälp av EBSD programmet på fliken skannade bilden genom att klicka på start.
OBS: Forescatter detektorer monterade nedanför EBSD detektorn fosforskärm kan användas för att producera ett mörkt fält bild, bistå vid identifieringen av tunna regioner och platser av intresse. - Justera inställningarna för EBSD kamera för optimal datainsamling genom att optimera förstärknings- och exponeringsvärden tills bilden är ljus, men inte övermättad, som för en normal EBSD experiment, på fliken optimering mönstret.
OBS: Detta steg är beroende på provet och dess kvalitet (tjocklek och ytfinish). - Samla en bakgrund på fliken optimering mönstret genom att trycka på Collect. Säkerställa att tillräckligt många korn är närvarande vid bakgrundsinsamling genom att justera förstoringen, även om det är viktigt att avsöka över en region med liknande tjocklek till området som skall analyseras.
- Kontrollera kvaliteten på de mönster när bakgrunden har subtraherats genom att säkerställa att statiska bakgrund och auto bakgrundsalternativ har kontrollerats.
- Även om de kommer att se förvrängd på grund av den speciella geometrin för set-up, se till att diffraktion band syns tydligt (se Figur 3). Integrera successiva ramar i EBSD kameran för att förbättra signal-brusförhållandet i bilden, eftersom ljusintensiteten av diffraktionsmönstret på fosforskärmen är låg.
- Om kvaliteten på mönstren är inte branog ändra kamerans inställning (justera förstärkning och exponering) eller ändra öppnings storlek SEM (använd en större bländare om möjligt). Det kan också bero på att provet är för tjock, i vilket fall gallring provet är den enda lösningen (beroende på provet detta kan göras genom att använda en FIB eller jon förtunning).
Figur 3. Kikuchi diffraktionsmönster erhålles genom TKD. Mönstret är förvrängd i jämförelse med ett mönster erhållet genom traditionell EBSD och mönstret centrum har förskjutits nedåt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Optimera lösare för mönsterigenkänning och förbättra indexeringstakten genom att gå till fliken optimera lösare.
OBS! I than programvara som används här, två alternativ för bättre TKD mönster indexering: Optimerad TKD eller raffinerat Noggrannhet. Det rekommenderas att använda Optimerad TKD alternativet när diffraktionsmönstren är mycket arkiveras; för mer högupplösta mönster (t.ex. 336 x 256 pixlar eller högre), fungerar den raffinerade noggrannhet läget bäst. - Om en hög upplösning analys krävs (en stegstorlek av 5 nm eller mindre) lämnar provet i föreliggande miljö under 30 till 60 min för att förbättra vakuum och termisk stråle stabilitet. Låt inte strålen även på regionen av intresse.
- Innan datainsamling, justera igen fokus och korrigera astigmatism av SEM genom att upprepa steg 2.11.
- Ställ in parametrarna (steg storlek och storleken på kartan) för kart förvärv på fliken Acquire kartdata.
OBS: stegstorleken kan vara så låg som 2 nm vid behov och om provet är av hög kvalitet. - Starta kartan förvärv genom att trycka på startknappen i AcquireFliken kartdata.
OBS: dataanalys kommer att utföras på exakt samma sätt som för en vanlig EBSD scan, inga justeringar är nödvändiga. Olika typer av kartan kan erhållas från data. Euler, band kontrast, omvänd polfigur, faskartor kan alla erhållas från de insamlade uppgifterna. Pole siffror kan också dras från dessa data.
Representative Results
De data som presenteras här har samlats in med hjälp av SEM, EBSD system och programvara som nämns i Materials List. Beroende på funktionerna i intresse var skannar köra med olika stegstorlekar och den specifika steg storlek är indicerat för varje prov visas i detta arbete.
De två första exemplen på TKD ansökan presenteras här är relaterade till kornförfining av metalliska legeringar för att öka deras mekaniska egenskaper. Rostfria stål och kobolt-krom-molybdenlegeringar används vanligen för biomedicinska tillämpningar beroende på deras höga korrosionsbeständighet, goda mekaniska egenskaper under statisk belastning och biokompatibilitet 23, 24. Emellertid båda dessa material har nackdelar: rostfria stål har låg hårdhet och nötningsbeständighet medan Co-Cr-Mo-legeringar kan misslyckas på grund av tribokorrosion fenomen. Ett sätt to ta itu med dessa material kortkommanden är att ändra deras ytegenskaper genom mikrostruktur förfining. Rostfritt stål och Co-Cr-Mo-legeringsprovstycken utsattes för Surface Mekanisk Attrition Behandling (SMAT), vilket är en ytbehandling som genererar, av svår plastisk deformation, ett nanokristallint ytskikt som förbättrar ytan mekaniska, tribologisk, och korrosionsegenskaperna hos bulkmaterial utan att ändra deras kemiska sammansättning 25. Med användning av TKD, var mikrostrukturen under den behandlade ytan analyserades för de olika materialen för att länka förändringen av mikrostrukturen till de förbättrade egenskaperna.
Mikrostruktur karakterisering med användning av TKD har visat att man utsätter ett prov av rostfritt stål till SMAT skapat en region, ett im tjock under den behandlade ytan, där en blandning av likaxliga nano korn och något långsträckta nanokorn var närvarande 23.Figur 4 presenterar en av de TKD avsökningar som kördes på ett behandlat prov. Den TKD provet framställdes genom användning av en FIB som det intressanta området var bara vid ytan av provet. Figur 4 visar att, i det första området under den behandlade ytan, de likaxliga kornen är mindre än 100 nm i diameter, medan de långsträckta korn som företjocklekar av 100 till 200 nm för längder som kan nå 500 nm. Under denna första region, kan en UFG regionen av långsträckt sub-mikronstorlek korn också ses på figuren. Detta var den första gången som nanokorn regionen var korrekt kännetecknad av ett prov utsattes för SMAT. För jämförelse, är ett annat prov av rostfritt stål utsattes för SMAT analyserades med användning traditionell EBSD och resultaten av en av de avsökningar som visas i figur 5. Både bandet kontrast och kartor IPF visar närvaro av en UFG region vid ytan. Emellertid, även om en stegstorlek av 15 nm användes för att köra scan, säden s i den regionen kunde inte framgångsrikt indexeras på grund av den större växelverkan volymen som analyseras vid varje ställe under avsökningen. Detta visar gränsen för EBSD teknik för att karakterisera UFG och nanokristallina material.
Figur 4. TKD data insamlade från ett prov av rostfritt stål efter SMAT. Datainsamlingen gjordes med användning av en stegstorlek av 5 nm på en 100 till 120 nm tjocka prov. (A) Band kontrast karta ger en indikation på kvaliteten på det insamlade mönstret (den ljusare grå desto bättre mönstret); (B) Inverse Pole Figur (IPF) karta som visar de olika kristallografiska orienteringar av kornen enligt färgschemat representeras till höger på kartan. Ytan behandlas är på toppen av kartorna.Arget = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. EBSD data insamlade från ett prov av rostfritt stål efter SMAT. Data uppsamlades med användning av ett steg med 15 nm. (A) Band kontrakt karta; (B) IPF karta. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 illustrerar resultaten av den TKD karakteriseringen av en Co-Cr-Mo-legering prov utsattes för SMAT. De TKD prov framställdes med användning av en FIB och det analyserade området var belägen ungefär 10 | j, m under den behandlade ytan. Resultaten visar att en förfining av mikrostrukturen skedde via fasomvandling 24. Initialt, materialet besatt en enda ytcentrerad kubisk (fcc) fas och hade en medelkornstorlek av 10 um. Figur 6 visar att två faser i detta deformerade regionen är närvarande: hexagonala tätpackade (HCP) ribbor ses inuti fcc kornen. Tjockleken av dessa ribbor kan vara så liten som 10 till 20 nm. Denna förfining av mikrostrukturen förklarar ökningen tre gånger i den uppmätta hårdheten hos materialet strax under den behandlade ytan 24.
Figur 6. TKD data insamlade från en kobolt-krom-molybdenlegering provet efter SMAT. Datainsamlingen gjordes med användning av en stegstorlek av 5 nm på en 100 till 120 nm tjocka prov. (A) Band kontrast karta; (B) fasen karta som visar fördelningen av de två faserna är närvarande i legeringen efter plastisk deformation, den rödafärg representerar hcp fasen, medan den blå färgen visar fcc fasen; (C) IPF karta som visar de olika kristallografiska orienteringar av kornen av hcp fasen enligt färgschemat representerade på vänster på kartan; (D) IPF karta som visar de olika kristallografiska orienteringar av kornen av fcc fas enligt färgschemat representeras till höger på kartan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
De sista två exempel som presenteras här är relaterade till området för geologi. Submikrona strukturer kan vara närvarande i mineralämnen på grund av den svåra plastisk deformation de utsätts för inom jordens mantel eller under jordbävningar, till exempel. Dessa material kan presentera höga störningen densiteter som gör deras karakterisering med användning av traditional EBSD omöjligt. Detaljerad studie av deras mikrostruktur är dock av största vikt att fastställa bakgrunden av dessa mineraler och förstå de olika kemiska och fysikaliska processer som de har utsatts för. Till exempel är det möjligt att följa kolets kretslopp i den djupa jorden genom att studera diamanter och deras inneslutningar. Figur 7 illustrerar en av dessa studier, där Jacob et al. sökte mikrostrukturen och sammansättningen av FeNi-sulfidinneslutningar i en polykristallin diamant aggregat som visar en nanogranular magnetit reaktions korona 26. Den TKD analys avslöjade fördelningen av de olika faserna som är närvarande i provet (figur 7b), och visade de nanostrukturer av magnetit (figur 7a). Genom koppling av TKD med EDS, fördelningen av de olika elementen (här som endast visar Fe och Cu fördelningar i figurerna 7c och d) inom th e olika faser bestämdes. Studien visade att diamanten bildas och kämbildad genom en redoxreaktion som inbegriper diamantbildande fluid och den FeNi sulfid som bildas magnetit och diamant 26.
Figur 7. TKD och EDS data insamlade från FeNi-sulfidinneslutningar i en polykristallin diamant aggregat. Datainsamlingen gjordes med användning av en stegstorlek av 10 nm på en 80 till 100 nm tjocka prov. (A) Band kontrast karta; (B) fasen karta som visar fördelningen av de olika faserna som är närvarande i provet, är diamant indikeras i gult, magnetit i rött, magnetkis i grönt och kopparkis i blått; (C) kemisk sammansättning karta som visar fördelningen av Fe i provet; (D) kemisk sammansättning karta som visar fördelningen av Cu i provet.ef = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Många geologiska prover utsätts för hög plastisk deformation, även om detta inte alltid är förknippad med jordens tektoniska processer. Slag strukturer observerats i många meteorit kratrar på ytan av jorden, ibland förenat med tillräckligt höga tryck för att omvandla grafit i diamant 27. Strukturen för dessa diamanter är starkt deformeras med mycket höga störningen densiteter på grund av den höga energipåverkan orsakad av meteoriten. Figur 8 visar ett exempel på en slag diamant karakteriseras med användning av TKD. Den stora plastiska deformationen ses av provet förklarar närvaron av sub-mikronstorlek korn, en hög andel av tvillingar (se fig 8b) och gradienter av kristallografiska orienteringar wnom kornen (dessa gradienter är på grund av höga störningen densiteter inom kornen).
Figur 8. TKD data insamlade från ett meteoritnedslag diamant. Datainsamlingen gjordes med användning av en stegstorlek av 10 nm på en 80 till 100 nm tjocka prov. (A) Band lutning karta ger en indikation på kvaliteten på det insamlade mönstret (den ljusare grå desto bättre smattra); (B) IPF karta som visar de olika kristallografiska orienteringar av kornen enligt färgschemat representeras till höger på kartan. De röda linjerna representerar tvillinggränser, med en 60 ° rotation omkring <111>. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Alla data som presenteras i detta dokument erhölls med hjälp av en standard, kommersiell EBSD system. Ett sådant system finns i många laboratorier runt om i världen, vilket innebär att denna teknik lätt kan tillämpas i dessa laboratorier utan att behöva göra några ytterligare investeringar. Inga ändringar i konfigurationen av SEM och ingen extra programvara är nödvändigt att använda EBSD system för insamling TKD data. övergången från traditionell EBSD till TKD är därför mycket lätt. Dataupptagningshastigheten för TKD är liknande den i EBSD, som för närvarande når upp till approximativt 1000 mönster / s 19. Denna höga hastighet beror delvis på den mycket höga grad av automatisering av tekniken, inklusive kalibrering för mönstercentrumposition och mönstercentrum ändring under avsökning 19. TKD kommer att gynnas av alla dessa fördelar. Dessutom, TKD som EBSD, kan kopplas enkelt med EDS att erhålla ytterligare kemiskinformation (se Figur 7).
Provberedning är mycket viktigt för att erhålla data i TKD, bör därför tillbringade tid på steg 1,2 för att säkerställa att provet är tillräckligt tunn för att analyseras. Annars är det ingen idé att starta experimentet. Korrekt inställning av parametrarna för SEM är av största vikt att få tillförlitliga uppgifter. Användare bör särskilt uppmärksamma steg 2,5 och 2,11 och värdena för de parametrar som anges i protokollet kan behöva anpassas till specifika SEM, EBSD system och prover. Parametrarna för att optimera mönsterigenkänning (steg 3,7) är också mycket viktigt att säkerställa god kvalitet på de insamlade uppgifterna. Dessa parametrar måste testas för olika mönster i olika delar av området som ska skannas för att se till att hela området av intresse kan scannas på rätt sätt med en hög indexering hastighet.
De olika exempel som presenteras i detta dokument vittnar om den höga upplösningenförmåga av tekniken i jämförelse med traditionell EBSD. Trots de framsteg som gjorts med hårdvara och mjukvara av SEM och EBSD system, kan upplösningen hos EBSD tekniken inte når värden under 20 nm för hög densitet material 17, vilket innebär att kännetecknande särdrag som är mindre än 50 nm i dessa material kommer att vara omöjligt. Att arbeta med mindre täta material kommer att öka storleken på den minsta upplösningen till 100 nm märket. Figur 6b visar att det är möjligt att använda TKD att karakterisera funktioner, såsom de hcp ribborna som föreligger i de deformerade Co-Cr-Mo-legeringar, som är så liten som 10 till 20 nm, såsom den rumsliga upplösningen av tekniken kan vara så nm lite som 2 17.
Geologiska material är vanligtvis icke-ledande eller halvledande, vilket ofta medför vissa svårigheter när de behöver karakteriseras med användning av traditionell EBSD. Detta problem inte presentera sig medan usjunga TKD. Interaktionen volymen under analysen är så liten med tanke på den tunna geometrin av provet som det är inga problem med ledningsförmåga. Denna lilla interaktion volym är också en fördel vid arbete med mycket deformerade material såsom normalt höga störningen densiteter gör det omöjligt att erhålla mönster som kan indexeras med användning av traditionell EBSD. Såsom kan ses i figur 8, kan den starkt deformerade diamant karakteriseras med användning av TKD trots de höga störningen densiteter som finns i dess korn.
En begränsning av tekniken gäller provberedning. Det är svårare att få en bra exemplar för TKD än det är för EBSD. De provberedningstekniker är de samma som för TEM provberedning, vilket innebär att de är svåra och tidskrävande. Att hitta rätt område att analysera är också en utmaning som kan lösas med hjälp av platsspecifika tekniker såsom genom att använda en FIB om det är tillräckligt för den typ av prov som skallstuderas. Den rumsliga upplösningen förbättras ganska kraftigt med TKD i jämförelse med EBSD men är fortfarande inte lika bra som vad som kan uppnås med användning av TEM 17, 19.
Detta dokument har visat att TKD är en värdefull teknik för att karakterisera nanokristallina och UFG material från olika ursprung. Dess enkla ansökan, hastighet, upplösning och flexibilitet i tid av ledningsförmåga uppväger svårigheten att provberedning. Framtiden av tekniken ligger i in situ-karakterisering. Genom användning av en in situ mekanisk provning rigg under utförande av TKD analys, kommer det att vara möjligt att observera hur dessa nano- och ultrafina mikrostrukturer förändras under yttre belastning. Detta kommer att öka vår kunskap om deformation mekanismer för nanokristallina och UFG material.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Scanning electron microscope | Zeiss | Preferably equipped with a field emission source in order to maximize spatial resolution. The one used here is a Zeiss Ultra plus field emission-SEM | |
| Electron backscatter diffraction detector | Oxford instruments | Different system are available on the market. The one is in this work is a Nordlys-nano EBSD detector from Oxford instruments. Forescatter detectors are mounted belown the detector phospor screen which is an option. | |
| Electron backscatter diffraction software for data acquisition and analysis | Oxford instruments | The protocal is described here for the usage of the AZtecHKL EBSD software but other software can be used as well | |
| EDS detector | Oxford instruments | This is optional. The one used here is a X-Max 20 mm2 silicon drift EDS detector from Oxford instruments | |
| sample holder for TKD | ANY | As long as it can handle thin specimen and can be placed in the correct orientation within the microscope. Different companies sell specific sample holders for TKD analysis if required by the user. | |
| Plasma cleaner | Evactron | This is optional. The one used here is Evactron Model 25 RF Plasma Decontaminator for FIB/SEM and Vacuum Chambers |
References
- Wang, Y. M., Chen, M. W., Zhou, F. H., Ma, E. High tensile ductility in a nanostructured metal. Nature. 419, 912-915 (2002).
- Liddicoat, P. V., et al. Nanostructural hierarchy increases the strength of aluminium alloys. Nat. Commun. 1 (63), 1-7 (2010).
- Mukai, T., Yamanoi, M., Watanabe, H., Higashi, K. Ductility enhancement in AZ31 magnesium alloy by controlling its grain structure. Scr. Mater. 45 (1), 89-94 (2001).
- Liao, X. Z., Zhao, Y. H., Zhu, Y. T., Valiev, R. Z., Gunderov, D. V. Grain size effect on the deformation mechanisms of nanostructured copper processed by high-pressure torsion. J. Appl. Phys. 96, 636-640 (2004).
- Fang, Z. Z., Wang, H. Densification and grain growth during sintering of nanosized particles. Int. Mater. Rev. 53 (6), 326-352 (2008).
- Handtrack, D., Despang, F., Sauer, C., Kieback, B., Reinfried, N., Grin, Y. Fabrication of ultra-fine grained and dispersion-strengthened titanium materials by spark plasma sintering. Mater. Sci. Eng., A. 437 (2), 423-429 (2006).
- Bestmann, M., Pennacchioni, G., Frank, G., Göken, M., de Wall, H. Pseudotachylyte in muscovite-bearing quartzite: Coseismic friction-induced melting and plastic deformation of quartz. J. Struct. Geol. 33 (2), 169-186 (2011).
- Trepmann, C. Shock effects in quartz: Compression versus shear deformation - An example from the Rochechouart impact structure, France. Earth Planet. Sci. Lett. 267 (1-2), 322-332 (2008).
- Pearce, M. A., Gazley, M. F., Fisher, L. A., Saunders, M., Hough, R. M., Kong, C. The Nanostructure of Australia's Gold Deposits. Proceeding of AMAS XIII - 13th Biennial Australian Microbeam Analysis Symposium, Hobart, Australia, , (2015).
- Mukai, H., Saruwatari, K., Nagasawa, H., Kogure, T. Aragonite twinning in gastropod nacre. J. Cryst. Growth. 312 (20), 3014-3019 (2010).
- Daly, L., Bland, P. A., Trimby, P. W., Moody, S., Yang, L., Ringer, S. P. Transmission Kikuchi diffraction applied to primitive grains in meteorites. Lunar and Planetary Science Conference. 46, 1752 (2015).
- Rauch, E. F., Véron, M. Automated crystal orientation and phase mapping in TEM. Mater. Charact. 98, 1-9 (2014).
- Humphreys, F. J., Brough, I. High resolution electron backscatter diffraction with a field emission gun scanning electron microscope. J. Microsc. 195, 6-9 (1999).
- Zhilyaev, A. P., Kim, B. K., Nurislamova, G. V., Baro, M. D., Szpunar, J. A., Langdon, T. G. Orientation imaging microscopy of ultrafine-grained nickel. Scr. Mater. 46 (8), 575-580 (2002).
- Apps, P. J., Bowen, J. R., Prangnell, P. B. The effect of coarse second-phase particles on the rate of grain refinement during severe deformation processing. Acta Mater. 51 (10), 2811-2822 (2003).
- Dogan, E., Vaughan, M. W., Wang, S. J., Karaman, I., Proust, G. Role of starting texture and deformation modes on low-temperature shear formability and shear localization of Mg-3Al-1Zn alloy. Acta Mater. 89, 408-422 (2015).
- Trimby, P. W. Orientation mapping of nanostructured materials using transmission Kikuchi diffraction in the scanning electron microscope. Ultramicroscopy. 120, 16-24 (2012).
- Schwarzer, R. A. Advances in crystal orientation mapping with the SEM and TEM. Ultramicroscopy. 67 (1-4), 19-24 (1997).
- Zaefferer, S. A critical review of orientation microscopy in SEM and TEM. Cryst. Res. Technol. 46 (6), 607-628 (2011).
- Keller, R. R., Geiss, R. H. Transmission EBSD from 10 nm domains in a scanning electron microscope. J. Microsc. 245 (3), 245-251 (2012).
- Trimby, P., et al. Characterizing deformed ultrafine-grained and nanocrystalline materials using transmission Kikuchi diffraction in a scanning electron microscope. Acta Mater. 62, 69-80 (2014).
- Ayache, J., Beaunier, L., Boumendil, J., Ehret, G., Laub, D. Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy: Methodology. , Springer. Berlin/Heidelberg. (2010).
- Proust, G., Retraint, D., Chemkhi, M., Roos, A., Demangel, C. Electron Backscatter Diffraction and Transmission Kikuchi Diffraction Analysis of an Austenitic Stainless Steel Subjected to Surface Mechanical Attrition Treatment and Plasma Nitriding. Microsc. Microanal. 21 (4), 919-926 (2015).
- Proust, G., Retraint, D., Raoult, A. G., Demangel, C., Tchana, D., Benhayoune, H. Microstructural Characterization of a Cobalt-Chromium-Molybdenum Alloy Subjected to Surface Mechanical Attrition Treatment. Proceedings of PLASTICITY '16: The Twenty Second International Symposium on Plasticity and its Current Applications, , 46-48 (2016).
- Lu, K., Lu, J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment. Mater. Sci. Eng., A. 375-377, 38-45 (2004).
- Jacob, D. E., Piazolo, S., Schreiber, A., Trimby, P. Redox-freezing and nucleation of diamond via magnetite formation in the Earth's mantle. Nat. Commun. 7, Article number: 11891 (2016).
- Kvasnytsya, V., Wirth, R., Piazolo, S., Jacob, D. E., Trimby, P. Surface morphology and structural types of natural impact apographitic diamonds. J. Superhard Mater. 38 (2), 71-84 (2016).
