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.
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.
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. </em> har lagt fram bevis för avsättning av stora volymer av guld från en kolloidal källa i en orogena guld insättning genom karakterisering av Au och Pt / PTFE nanopartiklar på mineraler extraherade från guldgruvor 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.
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.
The authors have nothing to disclose.
The authors acknowledge the facilities, and the scientific and technical assistance, of the Australian Microscopy & Microanalysis Research Facility at the Australian Centre for Microscopy and Microanalysis, The University of Sydney. This research was partially supported by funding from the Faculty of Engineering & Information Technologies, The University of Sydney, under the Faculty Research Cluster Program, from the Regional Council of Champagne-Ardenne (France) through the NANOTRIBO project and from the European FEDER program.
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 dector | Oxford instruments | This is optional. The one used here is a X-Max 20mm2 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 |