Summary
Dette papir giver en detaljeret metode til at karakterisere mikrostrukturen af ultra-finkornede og nanokrystallinske materialer ved anvendelse af et scanningselektronmikroskop udstyret med en standard elektron backscatter diffraktionssystem. Metallegeringer og mineraler frembyder raffinerede mikrostrukturer analyseres ved anvendelse af denne teknik viser mangfoldigheden af dens mulige anvendelser.
Abstract
En af udfordringerne i mikrostruktur analyse dag ligger i den pålidelige og nøjagtige karakterisering af ultra-finkornet (UFG) og nanokrystallinske materialer. De traditionelle teknikker i forbindelse med scanningelektronmikroskopi (SEM), såsom elektron tilbagekastning diffraktion (EBSD), ikke har den krævede rumlige opløsning på grund af den store vekselvirkning volumen mellem elektronerne fra strålen og atomerne i materialet. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) har den krævede rumlige opløsning. Men på grund af manglende automatisering i analysesystemet, hastigheden for datafangst er langsom, hvilket begrænser det område af prøven, der kan karakteriseres. Denne artikel præsenterer en ny karakterisering teknik Transmission Kikuchi Diffraction (TKD), som muliggør analysen af mikrostrukturen af UFG og nanokrystallinske materialer under anvendelse af et SEM udstyret med en standard EBSD system. Den rumlige opløsning af denne teknik kan nå 2 nm.Denne teknik kan anvendes på en lang række materialer, der ville være vanskeligt at analysere ved hjælp af traditionel EBSD. Efter fremlæggelsen af forsøgsopstilling og beskrive de forskellige trin nødvendige for at opnå en TKD analyse, er eksempler på dens brug på metallegeringer og mineraler vist for at illustrere løsningen af teknikken og dens fleksibilitet på sigt af materiale, der skal karakteriseres.
Introduction
En af nutidens forskning grænser i avancerede materialer søger aktivt at designe materialer med skræddersyede fysiske, kemiske og mekaniske egenskaber er egnede til high-end applikationer. Modifikationen af materialets mikrostruktur er en effektiv måde at tilpasse sine egenskaber til at nå specifikke høj ydeevne. I dette paradigme, raffinering kornstørrelsen af krystallinske materialer til at producere ultrafine kornet (UFG) eller nanokrystallinske materialer har vist sig at være en effektiv teknik til at øge deres styrke 1, 2. Sådan forfinet mikrostruktur kan opnås gennem processer, der involverer kraftig plastisk deformation 3, 4, eller ved at samle ultrafine eller nanostørrelse pulver i bulk materialer under anvendelse diverse pulvermetallurgi processer 5, 6. Forskning på dette område har været increasing i de seneste ti år, med de vigtigste mål er at skalere op processerne og til at forstå de deformation mekanismer i sådanne materialer.
UFG og nanokrystallinske materialer er imidlertid ikke begrænset til moderne applikationer i materialelære siden naturen har sin egen måde at producere sådanne raffinerede krystallinske materialer. Geologiske fejl zoner vides at producere nanokrystallinske regioner; selv om det ofte antages at være amorf på grundlag af lysmikroskopi forsøg viste høj opløsning transmissionselektronmikroskopi (TEM) og scanningelektronmikroskopi (SEM) har ofte vist, at kornstørrelser kan være på omfanget af tiendedele af en nanometer 7. Høje formforandringshastighed deformation episoder, som dem i løbet af meteorit virkninger, kan også producere nanokrystallinske strukturer samt ekstremt høje defekt tætheder 8. Deformation er ikke altid et krav for nanostrukturer i naturen. Pearce et al. 9. Skalkonstruktioner, såsom Nacre, dannes ved regelmæssigt arrangement af krystallinske enheder på omfanget af et par 100 nm 10. Selv meteoritter har vist sig at indeholde UFG mineralske strukturer 11.
Uanset herkomst af de materialer besidder disse UFG eller nanokrystallinske strukturer, der karakteriserer dem udgør en udfordring, som har bedt om at udvikle forbedrede karakterisering værktøjer på nanoskala. En lovende avenue, der er blevet undersøgt, er elektronmikroskopi. En sådan teknik vises perfekt tilpasset til denne opgave, eftersom den iboende lille elektron bølgelængde, der er forbundet med dets anvendelse, giver mulighed for at analysere den atomare struktur af material 12. Det er allerede blevet vist, at Electron tilbagekastning Diffraction (EBSD) kan anvendes til at karakterisere UFG materialer med kornstørrelser ned til submikron-skala 13, 14, 15, 16. Men den rumlige opløsning af EBSD teknik, selv med de nuværende mest avancerede SEM'er, er begrænset til 20 til 50 nm afhængigt af det materiale 17. Det er derfor ikke overraskende, at i første omgang, forskere søgt løsninger til at karakterisere disse materialer med ultra-fin mikrostruktur ved hjælp TEM. Krystallografiske orientering bestemmelsen ved diffraktion tilstande i TEM, såsom Kikuchi mønstre og pletmønstre, kan nå rumlig opløsning af størrelsesordenen 10 nm og i nogle tilfælde under denne værdi 12, 18, 19. Men nogle ulemper har bin identificeret med anvendelsen af disse teknikker, såsom deres hastighed og vinkelformede beslutninger, især sammenlignet med de muligheder EBSD 12, 19. Selvom automatiserede præcessionshastigheder-baserede TEM diffraktionsteknikker kan opnå lignende indeksering hastigheder som EBSD, lider de fleste TEM-teknikker fra relativt lave niveauer af automatisering 19. Desuden TEM-teknikker kræver generelt kritiske og tidskrævende opstillinger af instrumentets linsesystem at opnå optimal ydelse.
For nylig er interessen flyttet til forbedring løsning af Kikuchi diffraktion teknik inden for SEM, ved at ændre den måde signalet er opnået og analyseret. Keller og Geiss præsenteret en ny form for lavenergi transmission Kikuchi diffraktion udføres i SEM 20. Fremgangsmåden, som de kaldte transmission-EBSD (t-EBSD), nødvendiggør en EBSD detektorog tilhørende software til at indfange og analysere vinkelmæssige intensitetsvariation i stor vinkel fremad spredning af elektroner i transmission. Brug af denne teknik, var de i stand til at indsamle Kikuchi mønstre fra nanopartikler og nano-kerner med størrelser så lave som 10 nm i diameter. Den omstændighed, at de diffrakterede elektroner analyseret i dette tilfælde gå gennem emnet og ikke udstødes tilbage fra overfladen af prøven, bedt en ændring i terminologien til mere passende beskrive teknikken; det hedder nu Transmission Kikuchi Diffraction eller TKD. TKD teknik blev optimeret ved Trimby at tillade bedre opløsning og den automatiske erhvervelse af orientering kortlægger 17. Denne teknik kan også kobles med energi røntgendetektor spektroskopi (EDS) for at opsamle kemisk information samtidig med at den krystallografiske orientering analyse 21.
Dette dokument indeholder de krav med hensyn til udstyrog prøver at foretage TKD eksperimenter, beskriver de forskellige trin, der er nødvendige til dataopsamling og viser resultater opsamlet på fire forskellige prøver for at vise omfanget af de mulige anvendelser af teknikken. Eksemplerne her er enten metalliske legeringer, der har været udsat for alvorlig plastisk deformation for at skabe UFG / nanokrystallinske materialer eller geologiske materialer, er også blevet udsat for alvorlig plastisk deformation og nuværende raffinerede mikrostrukturer.
Protocol
1. Udstyr og Sample Krav
- Brug et SEM udstyret med en EBSD detektor til at udføre eksperimentet.
BEMÆRK: Ideelt SEM bør have en emission kilde felt for at maksimere rumlige opløsning, men teknikken vil arbejde på alle typer af SEM. - Sikre, at prøven, der skal analyseres, har en tykkelse i området fra 100 nm for optimale resultater 17. Kontroller, at prøven er tynd nok til at være i stand til at udføre TKD analyse.
BEMÆRK: Dette kan gøres ved anvendelse forescatter detektorer, den tyndere prøven, jo mørkere det vil bruge denne imagografiteknik.- Forberede prøven ved hjælp af traditionelle teknikker til TEM folie prøvefremstilling såsom ved anvendelse af en forsænkning mølle og derefter enten elektropolering eller ion polering eller ved at bruge lift-out teknik anvendelse af en fokuseret ionstråle (FIB), hvis funktioner skal analyseres er stedspecifikke .
BEMÆRK: Præparatet teknikker er ikke EXPLained i detaljer her, da de ikke er genstand for dette papir og er de samme som de veletablerede teknikker til TEM prøvefremstilling 22. Brugerne bliver nødt til at bestemme, hvad den passende prøveforberedelse teknik er for deres egne eksemplar. Oplysninger kan findes i 22.
- Forberede prøven ved hjælp af traditionelle teknikker til TEM folie prøvefremstilling såsom ved anvendelse af en forsænkning mølle og derefter enten elektropolering eller ion polering eller ved at bruge lift-out teknik anvendelse af en fokuseret ionstråle (FIB), hvis funktioner skal analyseres er stedspecifikke .
2. Eksperimentel Set-up
- Placere prøven på en prøveholder, der tillader prøven at være på 20 ° fra vandret gang inde i SEM kammeret. Dette vil give prøven skal hængende over karrusellen engang placeret i en vandret positon efter at vippe scenen ved 20 ° (se trin 2.4) for at undgå skygge-effekter under dataopsamling med EBSD kamera.
BEMÆRK: Special prøveholder er konstrueret til dette formål, og et eksempel er vist i figur 1. Hvis prøven er en FIB lift ud prøve på en TEM gitter, sikres, at prøven er på den nedre overflade of støtte nettet.
Figur 1. TKD prøveholder. Adskillige prøver kan analyseres under en session uden behov for at genåbne SEM kammeret. Det er vigtigt TEM folie er anbragt således, at ingen indehaveren eller støtte forhindrer elektronerne skal diffrakteret fra prøven og til at blive indsamlet af EBSD kamera. Brug ikke net, der vil forstyrre den indsamlede signal. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Sted prøveholder i SEM kammer, lukkes kammeret og start vakuumpumpning som for andre prøve ved at klikke på pumpen i fanen vac.
- Anvendelse i-kammer plasmarensning at forhindre forurening.
BEMÆRK: Dette trin er valgfrit, men anbefalesed at forbedre datakvaliteten og pålidelighed. Hvis teknikken er tilgængelig med SEM, bør rengøring ske for et par minutter. - Vip SEM stadium ved 20 ° med uret, således at prøven er nu på en vandret position og vinkelret på elektronstråle. Hvis prøven ikke er plan og kaster skygger på EBSD detektor phosphor screen (såsom ved brug FIB løfte prøver på et TEM support gitter), vippe tilbage til 10 ° eller 0 °, således at prøven bliver vippet væk fra EBSD detektor.
- Indstil SEM betingelser for optimal dataopsamling: sæt den accelererende spænding på 30 keV ved at klikke EHT ( "Ekstra høj Tension"), skal du vælge EHT ON for at tænde den accelererende spænding og valgte den korrekte værdi af EHT. Gå til fanen åbning af SEM kontrolpanelet og vælge en høj blænde (fx 60 eller 120 um), vælge den høje nuværende tilstand eller dybdeskarpheden tilstand (afhængigt af SEM) og indstille den relevante stråle strøm (ca. 3- 4nA for en 60-um åbning og 10-20 nA for en 120-um åbning).
- Bring præparatet ved en arbejdsafstand på 6 til 6,5 mm ved at ændre z-positionen af prøven.
BEMÆRK: Dette afhænger af SEM og konfigurationen af EBSD detektor; prøven skal placeres lige over niveauet for toppen af fosfor skærmen. - Sørge for, at prøveholderen er parallel med x-aksen af scenen for at undgå eventuelle skader på udstyret under flytning af prøven og for at få den optimale signal.
BEMÆRK: Du må ikke kun kontrollere ved at se på prøven position på CCD-kameraet, flytte modellen i x-retningen, og sørg for, at så høj scenen ikke har ændret sig. - Flyt stadium at lokalisere prøven og kontrollere, at strålen rammer prøven ved positionen af interesse (hvor TKD scanning vil blive udført) på prøven under anvendelse af sekundær elektron-billeddannelse.
- Vælg den sekundære elektron detektor i detector fane af SEM kontrolpanelet.
- Tænd for EBSD software og indsæt EBSD kameraet ved at trykke på "i" knappen på kontrolboksen af EBSD kamera til en afstand på 15 til 20 mm fra prøven ved hjælp af den eksterne styreenhed eller softwaren.
- Hvis det er nødvendigt for analysen, indsætte EDS detektor i kammeret ved at klikke på "i" knappen på EDS kamera kontrolpanel. Den optimale position kan ikke være den samme som for den sædvanlige EDS analyse, så se på signalet Stillingen og sikre, at dødtiden er mellem 20 og 50% for optimal dataindsamling, for at bestemme den optimale position for den pågældende forsøgsopstilling .
BEMÆRK: Det er muligt i dette tilfælde at justere arbejdsafstand at forbedre EDS data, men det vil være på bekostning af kvaliteten af de diffraktionsmønstre indsamlet af EBSD kamera. Figur 2 illustrerer den eksperimentelle udformning til dataopsamling hvor både EBSD kameraog EDS detektoren er blevet indsat i kammeret. - Når alle detektorerne er placeret og prøven er blevet placeret, udføre lyshøjden ved at vælge Focus Wobble afkrydsningsfelt i fanen åbning af SEM kontrolpanelet og tilpasning af de vandrette og lodrette drejeknapper til åbningen tilpasning på styrekortet. Udfør fokus justering og bygningsfejl korrektion ved at justere den vandrette og lodrette knapper for stigmation om kontrol bord. Formålet med dette trin er at opnå muligt det skarpeste billede.
BEMÆRK: Mens indsamling EDS data sørge for at vælge den model holder korrekt for pålidelige data. Brug ikke en prøveholder lavet af samme materiale, der analyseres ellers vil det være umuligt at skelne signalet fra prøven fra det signal, der kommer fra prøveholderen og sørg for der er ingen overlapning for diffraktionstoppe fra det materiale, der analyseres og fra hvilken prøveholderen er gale.
Figur 2. Eksperimentel opsætning. Prøven er i en horisontal position efter rotationen af scenen. Dette begrænser indblanding af scenen og karrusel med det signal, der vil blive indsamlet på fosfor skærm EBSD kamera. Klik her for at se en større version af dette tal.
3. EBSD Software Parametre for dataopsamling
BEMÆRK: Parametrene datafangst er forskellige for specifikke kommercielt tilgængelige EBSD systemer. Dette afsnit er skrevet som generelt som muligt, men nogle af de navne og værdier for de parametre, der gives her, er kun passende, hvis man bruger den EBSD software er nævnt på listen Materialer, og brugere af forskellige systemer vil need at justere disse parametre i henhold til deres eget system. De fleste af disse trin er nøjagtig de samme som for en normal EBSD eksperiment.
- Sørg for, at prøven geometri i EBSD softwaren afspejler, at prøven er i vandret position. Sikre, at den samlede hældningsstørrelsen er 0 °. Hvis ikke, tilføje en -20 ° præ-tilt værdi i fanen prøven geometri.
- Vælge fase (r) (hvilket element eller forbindelse), der skal analyseres som for en normal EBSD eksperiment på fanen fase.
- Tag et billede ved hjælp af EBSD softwaren under fanen Scan billede ved at klikke på start.
BEMÆRK: Forescatter detektorer monteret under EBSD detektor phosphorescerende skærm kan anvendes til at frembringe et mørkt felt billede, bistå med identifikationen af tynde områder og steder af interesse. - Juster indstillingerne for EBSD kamera til en optimal dataopsamling ved at optimere gain og eksponeringsværdier indtil billedet er lyst, men ikke overmættede, som for en normal EBSD experiment, under fanen optimering mønster.
BEMÆRK: Dette trin er afhængig af prøven og dens kvalitet (tykkelse og overfladefinish). - Saml en baggrund i fanen optimering opskriften ved at trykke på Collect. Sikre, at tilstrækkeligt korn er til stede til baggrunden indsamling ved at justere forstørrelsen, selv om det er vigtigt at scanne over en region med tilsvarende tykkelse til området, der skal analyseres.
- Kontroller kvaliteten af de mønstre, når baggrunden er blevet fratrukket ved at sikre, at statiske indstillinger baggrund og auto baggrund er blevet kontrolleret.
- Selv om de vil se forvrænget på grund af den særlige geometri af opsætning, sikre, at diffraktion bånd er klart synlige (se figur 3). Integrer successive rammer i EBSD kameraet for at forbedre signal-støj-forholdet i billedet, da den lysstyrke på diffraktionsmønsteret på fosfor skærmen er lavt.
- Hvis kvaliteten af de mønstre er ikke godtnok, ændre indstillingen af kameraet (justere gain og eksponering) eller ændrer blænden størrelsen af SEM (brug en større blænde hvis det er muligt). Det kan også skyldes prøven være for tyk i hvilket tilfælde tyndere prøven er den eneste løsning (afhængigt af modellen kan dette gøres ved at anvende en FIB eller ion udtynding).
Figur 3. Kikuchi diffraktionsmønster opnået ved TKD. Mønsteret er forvrænget i forhold til et mønster opnået ved traditionel EBSD og mønstermidtpunkt er blevet forskudt nedad. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Optimer Solver for mønstergenkendelse og for at forbedre indeksering sats ved at gå til fanen optimere Solver.
BEMÆRK: I tHan software, der bruges her, to muligheder er tilgængelige for bedre TKD mønster indeksering: Optimeret TKD eller Raffineret Nøjagtighed. Det anbefales at bruge Optimeret TKD mulighed, når de diffraktionsmønstre er stærkt arkiveret lodret; for højere mønstre opløsning (fx 336 x 256 pixel eller derover), den raffinerede præcisionsmodus fungerer bedst. - Hvis der kræves en høj opløsning analyse (en trinstørrelse på 5 nm eller mindre) forlade prøven i den nuværende indstilling i 30 til 60 min for at forbedre vakuum og termisk stråle stabilitet. Lad ikke strålen selvom på området af interesse.
- Før du starter dataopsamling, justere igen fokus og korrigere astigmatisme af SEM ved at gentage trin 2.11.
- Indstil parametrene (trin størrelse og størrelsen af kortet) til kortet erhvervelse under fanen Acquire kortdata.
BEMÆRK: trinstørrelse kan være så lav som 2 nm, hvis det kræves, og hvis prøven er af høj kvalitet. - Start erhvervelse kortet ved at trykke på startknappen i AcquireFanen kortdata.
BEMÆRK: dataanalyse vil blive udført på nøjagtig samme måde som for en normal EBSD scanning, er det ikke nødvendigt justeringer. kan fås forskellige typer af kort fra dataene. Euler, band derimod invers pole figur, faseafbildninger kan alle fås fra de indsamlede data. Pole tal kan også drages ud fra disse data.
Representative Results
De data, der præsenteres her er blevet indsamlet ved hjælp af SEM, EBSD og software nævnt i liste Materials. Afhængigt af de funktioner af interesse, blev scanninger køre med forskellige trin størrelser og den specifikke skridt størrelse er indiceret til hver prøve, der er vist i dette arbejde.
De to første eksempler på TKD ansøgning præsenteres her er relateret til kornforfining af metallegeringer for at forøge deres mekaniske egenskaber. Rustfrit stål og kobolt-krom-molybdænlegeringer er almindeligt anvendt til biomedicinske anvendelser på grund af deres høje korrosionsbestandighed, gode mekaniske egenskaber under statisk belastning og biokompatibilitet 23, 24. Men begge disse materialer har, ulemper: rustfrit stål har lav hårdhed og slidstyrke mens Co-Cr-Mo-legeringer kan mislykkes på grund af tribokorrosion fænomener. En måde to løse disse materialers korte gøren er at ændre deres overfladeegenskaber ved mikrostruktur raffinement. Rustfrit stål og Co-Cr-Mo legering prøver blev underkastet Surface Mekanisk Attrition behandling (SMAT), som er en overfladebehandling, der genererer ved alvorlig plastisk deformation, en nanokrystallinsk overfladelag, der forbedrer overfladen mekaniske, tribologisk, og korrosionsegenskaber bulkmaterialer uden at ændre deres kemiske sammensætning 25. Anvendelse TKD blev mikrostrukturen under den behandlede overflade analyseret for de forskellige materialer til at linke ændringen af mikrostruktur til de forbedrede egenskaber.
Mikrostruktur karakterisering under anvendelse TKD har vist, at underkaste et rustfrit stål prøven til SMAT skabt en region, 1 um tyk under den behandlede overflade, hvor en blanding af ligeaksede nano-kerner og lidt aflange nano-kerner var til stede 23.Figur 4 viser en af de TKD scanninger, der blev kørt på en behandlet prøve. TKD prøve blev fremstillet ved anvendelse af en FIB som arealet af interesse var lige ved overfladen af prøven. Figur 4 viser, at i det første område under den behandlede overflade, de ligeaksede kornene er mindre end 100 nm i diameter, mens de aflange korn tilstedeværende tykkelser på 100 til 200 nm for længder, der kan nå 500 nm. Under dette første område, kan en UFG region af aflange sub-mikronstørrelse korn også ses på figuren. Dette var første gang, at nano-grain region var korrekt kendetegnet ved en prøve underkastes SMAT. Til sammenligning er en anden prøve af rustfrit stål underkastes SMAT blev analyseret ved hjælp af traditionel EBSD og resultaterne af en af de scanninger er vist i figur 5. Både båndet kontrast og kort IPF viser tilstedeværelsen af en UFG region ved overfladen. Selv om en trinstørrelse på 15 nm blev anvendt til at køre scanningen, kornet s i dette område ikke med held kunne indekseret på grund af den større interaktion volumen, der analyseres på hvert sted under scanningen. Dette viser grænsen for EBSD teknik til karakterisering UFG og nanokrystallinske materialer.
Figur 4. TKD data indsamlet fra et rustfrit stål tørvægt efter SMAT. Dataene blev opsamlet under anvendelse af en trinstørrelse på 5 nm på en 100 til 120 nm tykke prøve. (A) Band kontrast kort giver en indikation af kvaliteten af det indsamlede mønster (jo lysere grå den bedre i mønsteret); (B) Inverse Pole Figur (IPF) kort, der viser de forskellige krystallografiske orienteringer af kornene ifølge den farvesammensætning repræsenteret i højre på kortet. Overfladen behandles, er på toppen af kortene.Arget = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. EBSD data indsamlet fra et rustfrit stål tørvægt efter SMAT. Dataene blev opsamlet under anvendelse af et trin med 15 nm. (A) Band kontrakt kortet; (B) IPF kortet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 illustrerer resultaterne af TKD karakterisering af en Co-Cr-Mo legering prøve underkastet SMAT. TKD prøve blev fremstillet ved anvendelse af en FIB og det analyserede område var placeret omtrent 10 um under den behandlede overflade. Resultaterne viser, at en videreudvikling af mikrostrukturen skete via fase transformation 24. Indledningsvis materialet besad en enkelt fladecentreret kubisk (fcc) fase og havde en gennemsnitlig kornstørrelse på 10 um. Figur 6 viser, at to faser i denne deformerede område er til stede: sekskantede tætpakkede (HCP) lægter ses inde FCC korn. Tykkelsen af disse lægter kan være så lille som 10 til 20 nm. Denne forfinelse af mikrostrukturen forklarer stigningen tre gange i den målte hårdheden af materialet lige under den behandlede overflade 24.
Figur 6. TKD data indsamlet fra en Cobalt-Chrom-molybdæn legering tørvægt efter SMAT. Dataene blev opsamlet under anvendelse af en trinstørrelse på 5 nm på en 100 til 120 nm tykke prøve. (A) Band kontrast kort; (B) faseafbildning viser fordelingen af de to faser til stede i legeringen efter plastisk deformation, den rødefarve repræsenterer hcp fase, mens den blå farve viser fcc fase; (C) IPF kort, der viser de forskellige krystallografiske orienteringer af kornene i hcp fase ifølge farvesammensætning repræsenteret i venstre side af kortet; (D) IPF kort, der viser de forskellige krystallografiske orienteringer af kornene i fcc fase ifølge farvesammensætningen repræsenteret i højre på kortet. Klik her for at se en større version af dette tal.
De sidste to eksempler præsenteres her er relateret til området for geologi. Submikrone strukturer kan være til stede i mineraler grund af den alvorlige plastisk deformation, de udsættes for i Jordens kappe eller under jordskælv, for eksempel. Disse materialer kan præsentere høje dislokation tætheder, der gør deres karakterisering ved hjælp traditional EBSD umuligt. Detaljeret undersøgelse af deres mikrostruktur er dog altafgørende at bestemme på baggrund af disse mineraler og til at forstå de forskellige kemiske og fysiske processer, som de har været udsat for. For eksempel er det muligt at følge kulstofkredsløbet i den dybe Jorden ved at studere diamanter og deres indeslutninger. Figur 7 illustrerer en af disse undersøgelser, hvor Jacob et al. undersøgte mikrostrukturen og sammensætningen af FeNi-sulfid optagelser i en polykrystallinsk diamant aggregat, der viser en nanogranular magnetit reaktion corona 26. TKD analyse afslørede fordelingen af de forskellige faser i prøven (figur 7b), og viste nanostrukturer af magnetit (figur 7a). Ved kobling TKD med EDS, fordelingen af de forskellige elementer (her viser kun Fe og Cu-distributioner i figurerne 7c og d) inden th e forskellige faser blev bestemt. Undersøgelsen viste, at diamanten dannes og nukleeret ved en redoxreaktion involverer diamant-dannende fluidum og FeNi sulfid som dannede magnetit og diamant 26.
Figur 7. TKD og EDS data indsamlet fra FeNi-sulfid optagelser i en polykrystallinsk diamant aggregat. Dataene blev opsamlet under anvendelse af en trinstørrelse på 10 nm på en 80 til 100 nm tykke prøve. (A) Band kontrast kort; (B) fase kort, der viser fordelingen af de forskellige faser til stede i prøven, er diamant med gult, magnetit i rød, pyrrhotit i grønt og kobberkis i blå; (C) kemisk sammensætning kort viser fordelingen af Fe i prøven; (D) kemisk sammensætning kort viser fordelingen af Cu i prøven.ef = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55506/55506fig7large.jpg" target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.
Mange geologiske prøver underkastes høj plastisk deformation, selv om dette ikke er altid forbundet med jordens tektoniske processer. Impact strukturer er observeret i mange meteorit kratere på jordens overflade, lejlighedsvist forbundet med tilstrækkeligt høje tryk til at transformere grafit i diamant 27. Strukturen af disse diamanter er stærkt deformeret med meget høje dislokation tætheder på grund af den høje energi effekt forårsaget af meteoritten. Figur 8 viser et eksempel på en indvirkning diamant karakteriseret ved anvendelse TKD. Den store plastiske deformation ses af prøven forklarer tilstedeværelsen af sub-mikronstørrelse korn, en høje andele af tvillinger (se figur 8b) og gradienter af krystallografiske orienteringer wnden for korn (disse gradienter skyldes høje dislokation tætheder inden kornene).
Figur 8. TKD indsamlet fra en meteorit indvirkning diamant. Dataene blev opsamlet under anvendelse af en trinstørrelse på 10 nm på en 80 til 100 nm tykke prøve. (A) Band hældning kort giver en indikation af kvaliteten af det indsamlede mønster (jo lysere grå jo bedre trommen); (B) IPF kort, der viser de forskellige krystallografiske orienteringer af kornene i henhold til farvesætningen repræsenteret på højre side af kortet. De røde linier repræsenterer tvillingegrænser, med en 60 ° drejning omkring <111>. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Alle data i dette papir blev opnået under anvendelse af en standard, kommerciel EBSD system. Et sådant system er tilgængelig i mange laboratorier verden, hvilket betyder, at denne teknik let kan anvendes i disse laboratorier uden at skulle foretage nogen yderligere investeringer. Ingen ændring i konfigurationen af SEM og ingen ekstra software er nødvendigt at bruge EBSD system til indsamling TKD data. Derfor overgangen fra traditionel EBSD til TKD er meget let. Erhvervelse datahastighed for TKD ligner den af EBSD, som i øjeblikket når op til ca. 1.000 mønstre / s 19. Denne høje hastighed delvis skyldes den meget høje grad af automatisering af teknikken, herunder kalibrering for mønster midterstilling og mønstermidtpunkt ændring under scanningen 19. TKD vil drage fordel af alle disse fordele. Derudover TKD ligesom EBSD, kan let kobles med EDS til opnåelse yderligere kemiskinformation (se figur 7).
Prøvefremstilling er meget vigtigt at opnå data i TKD derfor tid bør bruges på trin 1.2 for at sikre, at prøven er tynd nok til at blive analyseret. Ellers er der ingen mening i at starte eksperimentet. Korrekt parametrering af SEM er altafgørende i at opnå pålidelige data. Brugere bør især være opmærksom på trin 2.5 og 2.11 og værdierne for de parametre, der er anført i protokol skal muligvis justeres til specifikke SEM, EBSD systemer og prøver. De parametre for at optimere mønstergenkendelse (trin 3.7) er også meget vigtigt at sikre en god kvalitet af de indsamlede data. Disse parametre skal testes for forskellige mønstre i forskellige regioner i det område, der skal scannes for at sikre, at hele området af interesse kan scannes korrekt med en høj indeksering hastighed.
De forskellige eksempler præsenteret i dette dokument vidner den høje opløsningevne af teknikken i sammenligning med traditionel EBSD. På trods af de fremskridt, der gøres med den hardware og software af SEM og EBSD systemer, kan opløsningen af EBSD teknik ikke nå værdier under 20 nm for høj tæthed materialer 17, hvilket betyder, at karakterisere egenskaber er mindre end 50 nm i disse materialer vil være umuligt. Arbejde med mindre tætte materialer vil øge størrelsen af den mindste detaljeopløsning til 100 nm-mærket. Figur 6b viser, at det er muligt at anvende TKD at karakterisere funktioner, såsom HCP lægter stede i de deformerede Co-Cr-Mo-legeringer, som er så små som 10 til 20 nm som den rumlige opløsning af teknikken kan være så lav som 2 nm 17.
Geologiske materialer er sædvanligvis ikke-ledende eller halvledende, hvilket ofte skaber visse vanskeligheder, når de skal karakteriseres ved anvendelse af traditionel EBSD. Dette problem er ikke præsentere sig mens usynge TKD. Volumenet interaktion under analysen er så lille i betragtning af den tynde geometri af prøven, at der er noget problem med ledningsevne. Denne lille interaktion volumen er også en fordel, mens de arbejder med stærkt deformerede materialer som normalt høje dislokation densiteter gør det umuligt at opnå mønstre, der kan indekseres ved hjælp af traditionel EBSD. Som det kan ses i figur 8, kan den meget deformerede diamant karakteriseres ved anvendelse TKD trods for de store dislokation densiteter til stede i dens kerner.
En begrænsning ved teknikken vedrører prøvefremstilling. Det er sværere at få et godt eksemplar for TKD end det er for EBSD. De prøvefremstillingsteknikker er de samme som for TEM prøveforberedelse, hvilket betyder, at de er vanskelige og tidskrævende. At finde den rigtige område at analysere er også en udfordring, der kan løses ved hjælp af stedspecifikke teknikker såsom ved hjælp af en FIB, hvis det er passende for den type prøven for at værestuderet. Den rumlige opløsning er forbedret ganske betydeligt med TKD i sammenligning med EBSD men er stadig ikke så god som hvad der kan opnås ved hjælp af TEM 17, 19.
Dette papir har vist, at TKD er en værdifuld teknik til at karakterisere nanokrystallinske og UFG materialer fra forskellige oprindelser. Dens let påføring, hastighed, opløsning og fleksibilitet på sigt af ledningsevne opvejer vanskeligheden ved prøvefremstillingen. Fremtid teknikken består i in situ karakterisering. Ved anvendelse af en in situ-mekanisk test rig under udførelsen TKD analyse, vil det være muligt at observere, hvordan disse nano- og ultrafine mikrostrukturer forandring under eksterne belastning. Dette vil øge vores viden om deformation mekanismer nanokrystallinske og UFG materialer.
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).
