Summary
Hava maruz kalan bir numune ile karşılaştırıldığında bir tuz çözeltisine maruz kaldıktan sonra alüminyum alaşımın Metal boya arayüzünde kimyasal haritalama ve korozyon morfolojisi göstermek için uçuş süresi ikincil iyon kütle spektrometresi uygulanır.
Abstract
Alüminyum alaşımın boya ve alüminyum (Al) Metal boya arayüzünde geliştirilen korozyon, zaman-of-Flight ikincil iyon kütle spektrometresi (ToF-SIMS) kullanılarak analiz edilir, bu SıMS bir kimyasal dağıtım çalışması için uygun bir teknik olduğunu gösteren Metal boya arayüzü. Boyalı al alaşım Kuponlar bir tuz çözeltisi batırılmış veya sadece havaya maruz. SıMS, kimyasal haritalama ve arayüz 2D moleküler görüntüleme sağlar, korozyon ürünleri Metal boya arayüzü ve kimyasal haritalama oluşan morfoloji doğrudan görselleştirme sağlayan korozyona sonra oluşur. Bu yöntemin deneysel prosedürü, bu tür deneyler sırasında karşılaşılabilecek benzer araştırma ve vurgulamak tuzaklar kolaylaştırmak için teknik detaylar sağlamak için sunulmaktadır.
Introduction
El alaşımları, deniz teknolojisi veya askeri otomotiv gibi mühendislik yapılarında geniş uygulamalara sahip olup, yüksek mukavemet-ağırlık oranına, mükemmel Formability ve korozyona karşı direncine göre biçimlendirilebilir. Ancak, al alaşımlarının lokalize korozyon hala çeşitli çevresel koşullarda uzun vadeli güvenilirlik, dayanıklılık ve bütünlük etkileyen ortak bir fenomen1. Boya kaplama korozyon önlemek için en yaygın araç olduğunu. Metal ve boya kaplama arasındaki arayüzde geliştirilen korozyona ilişkin Illustration, korozyon önleme için uygun çare belirlenmesi konusunda Öngörüler sunabilir.
El alaşımlarının korozyon birkaç farklı yollar aracılığıyla yer alabilir. X-ışını Fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve Tarama elektron mikroskobu/enerji-Dispersif X-ışını spektroskopisi (SEM/EDX) korozyon araştırılmasında yaygın olarak uygulanan iki yüzey mikroanaliz tekniklerdir. XPS, Elemental haritalama sağlayabilir, ancak yüzey kimyasal bilgilerinin2,3' ün holist moleküler görünümünü sağlamaz, SEM/EDX morfolojik bilgi ve Elemental haritalama sağlar ancak nispeten düşük hassasiyetle.
ToF-SIMS yüksek kütle doğruluğu ve lateral çözünürlüğü ile kimyasal haritalama için başka bir yüzey aracıdır. Bu algılama düşük bir sınırı vardır (LOD) ve Metal boya arayüzünde oluşan korozyon türlerinin dağılımı açığa yeteneğine sahiptir. Genellikle, SIMS kitle çözünürlüğü 5000-15000 ulaşabilir, isobarik iyonlarının ayırt etmek için yeterli4. Mikronaltı uzamsal çözünürlüğü ile TOF-SIMS kimyasal olarak görüntü ve Metal boya arayüzünü karakterize edebilir. Sadece morfolojik bilgi değil, aynı zamanda yüzeyin üst birkaç nanometrelerde moleküler korozyon türlerinin lateral dağılımı sağlar. ToF-SIMS, XPS ve SEM/EDX 'e tamamlayıcı bilgiler sunar.
Yüzey karakterizasyonu ve korozyon arayüzünün görüntülenmesi ToF-SIMS yeteneğini göstermek için, iki boyalı al alaşım (7075) kuponlar, bir hava sadece ve bir tuz çözeltisi maruz, analiz edilir (Şekil 1 ve Şekil 2). Tuz durumuna maruz Metal boya arayüzünde korozyon davranışını anlamak, örneğin bir deniz ortamında al alaşımının performansını anlamak için önemlidir. Al 'ın oluşumu (OH)3 ' ün deniz suyu5' e maruz kalması sırasında oluştuğu bilinmektedir, ancak el korozyonunun çalışması hala korozyon ve kaplama arayüzünün kapsamlı moleküler tanımlamasına sahip değildir. Bu çalışmada, al oksitler (örn. Al3o5-) ve OxyHydroxide türleri (örn. Al3o6H2-) dahil olmak üzere al (Oh)3' ün parçaları gözlemlenir ve tanımlanır. Negatif iyonlarının Al3o5- ve Al3o6H 2 ' nin SIMS Mass Spectra (Şekil 3) ve moleküler görüntüler (Şekil 4) karşılaştırmalar- moleküler sağlar tuz solüsyonunun Metal boya arayüzünde oluşan korozyon ürünlerinin kanıtı-işlenmiş al alaşım kupon. SIMS, el alaşımlarında yüzey tedavilerinin etkinliğine ışık tutmaya yardımcı olabilecek Metal boya arayüzünde meydana gelen komplike kimyası aydınlatmak imkanı sunar. Bu ayrıntılı protokolde, ToF-SIMS ' i kullanarak korozyon araştırmalarında yeni uygulayıcıların yardımcı olması için Metal boya arayüzünü incelmeye yarayan bu etkili yaklaşımı gösteriyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. korozyon numune hazırlama
-
Reçine içinde al numune sabitleme, ve parlatma
- Mount iki al alaşım kupon (1 cm x 1 cm) epoksi reçine kullanarak 1,25 inç metallographiç örnek bardak ve bir gecede ya da reçine tamamen tedavi kadar duman kaput kuponları yerleştirin.
- Al reçine silindir bardakları örnek bardaklardan çıkarın. Al reçine silindirleri ile 240 kum kağıt kullanarak bir 300 rpm Platen/150 RPM tutucu 1 dakika su ile Lehçe.
- 5 dakika (her adım), sıralı olarak 15 μm, 6 μm, 3 μm ve 1 μm su bazlı solüsyon ile parlatma plakasını kullanarak Al reçine silindirleri parlatın.
- Al reçine silindirleri deiyonize su (dı) ile durulayın ve pamuğa indirin.
- Al reçine silindirleri etanol ile tekrar durulayın ve kuru olana kadar kimyasal duman kaputu içine yerleştirin.
Not: Alternatif olarak, numune basınçlı hava veya nitrojen ile kurutulabilir.
-
Al korozyon örneğinin hazırlanması
- Her al reçine silindir üzerine siyah boya 2x sprey ve onları 24 saat boyunca duman kaputu durmak izin. Boya yaklaşık 100 μm kalınlığında.
Not: boya bir şişe karışık astar ile ticari bir üründür. Hızlı kurutma ve pas önleyici. - Dört paralel hatları (5-6 mm uzunluğunda) düz aşağı her boyalı al reçine silindir üzerinde neşter kullanarak üst. Hatları al alaşımlarının ortasına yerleştirin.
- Bir al reçine silindiri bir pH 8,3 tuz çözeltisi NaCl, MgSO4, MgCl2ve KCL içeren içine, yazılı yüzeyi aşağı bırakın. Kapağı ile 10 cm x 10 cm Petri tabağı kısmen kapsar.
Not: tuz çözeltisi 465 mM NaCl, 28 mM MgSO4, 25 mm MgCl2, ve 3 mm KCL, 50 mL dı su, 0,1 M NaOH tarafından ayarlanmış yaklaşık pH 8,3 ulaşmak için yapılır. Çözüm deniz suyunda ana iyonları içerir. Tuz çözeltisi iletkenliği yaklaşık 5,5 S/m 'dir. Çözümün sıcaklığı 72 °F. - Diğer al reçine silindiri, yazılı yüzeyi temiz bir petri tabağı ile aşağı doğru yerleştirin ve kapağı ile kapla. İki numuneyi 3 hafta boyunca kimyasal duman kaputunda tutun.
- Her al reçine silindir üzerine siyah boya 2x sprey ve onları 24 saat boyunca duman kaputu durmak izin. Boya yaklaşık 100 μm kalınlığında.
-
Korozyon arayüzünün pozlama ve reçine arayüzünün montajı
- Her al reçine silindiri, işaretli çizgilerin ortasına dik bir şekilde bir elmas bıçağı ile düşük hızda testere kullanarak iki yarıya keser ve aşırı reçine kenarını kırpın.
- Mount tüm kesilmiş al alaşım parçaları bir 2 inç örnek fincan ve bir daire boyunca Al alaşım parçaları yerleştirerek bir montaj formu, Metal boya arayüzü yukarı bakacak. Her al alaşım parçası dışarı boşluk.
- 1.1.2-1.1.3 arasındaki adımları yineleyin.
- Daha fazla Lehçe Metal boya Cross-kesit bir vibratuar parlatma için yapıştırılmış bir 2 lbs ağırlığı kullanarak 0,05 μm kolloidal silika çözeltisi için bir parlatma ped üzerinde 4 h.
- 1.1.4-1.1.5 arasındaki adımları yineleyin
Not: parlatılmış bir yüzey ikincil iyonlar sinyallerinin düşük yoğunluklarına ve SIMS analizi sırasında zayıf bir kitle çözünürlüğüne yol açacaktır çünkü yeterli SıME sinyalleri elde etmek için sabitleme ve parlatma çalışmaları önemlidir.
-
Örnek bir sputter kaplayıcı ile kaplama
- Cilalı metal boya arayüz aksamını arayüz tarafı kadar olan sputter kaplayıcı odasına koyun. Sputter kaplayıcı kapağını kapatın ve oda aşağı pompa başlar.
- Düzenli sputter kaplayıcı prosedürü izleyin ve Metal boya arayüzü montaj üzerinde 10 Nm altın (AU) tabaka yatırın.
Not: Bu örnek yüzey tedavisinin amacı, SIMS analizi sırasında şarj etkisini azaltmaktır. Örnek iletken ise, bu adım gerekli değildir.
2. ToF-SIMS kullanarak Metal boya korozyon arabiriminin Analizi
- ToF-SIMS örneklerinin yüklenmesi
- Tuz çözeltisi ile işlenmiş numuneyi içeren Metal boya arayüz montajını ve vida ve klipsleri kullanarak Topmount örnek tutucusuna hava maruz kontrolü takın.
Not: Topmount örnek tutucusu üst örneği tutan örnek tutucu adıdır. - Yük kilidi kapağının üzerindeki kilitleme vidasını sökün ve yük kilidi odasını havalandırmak için ToF-SIMS Software grafik kullanıcı arabiriminin (GUI) Fpanel penceresindeki düğme durağının üzerine tıklayın.
- Örnek transfer kolunu sağa doğru sallayarak yük kilidi odasını açın, Transfer kolunu saat yönünün tersi yönde çevirerek Topmount örnek tutucusunun iğnesine bağlanır ve sonra geri çevirin.
- Yük kilidi kapısını kapatmak için transfer kolunu geri salıncak ve yük kilidi mühürlemek için kapının kilitleme vidasını sıkın.
- ~ 1.0 E-6 mbar veya aşağıda ulaşıncaya kadar yük kilidi odası pompa Fpanel penceresinde düğmeye Başlat 'ı tıklatın.
- Ana oda ile yük kilidi arasındaki kapısı açmak için Fpanel penceresinde Açık düğmesini tıklatın.
- Örnek tutucu ile bağlı örnek transfer kolunu ana odaya itin. Örnek tutucu ana odanın örnek aşamaya aktarılıncaya kadar transfer kolunu saat yönünün tersine çevirin.
- Transfer kolunu geri çekin ve ana oda ile yük kilidi arasındaki kapısı kapatmak için Fpanel penceresindeki düğmeye Kapat 'ı tıklayın.
- Açılır pencerenin açılan menüsünden Topmount. Shi öğesini seçin, örnek tutucuöğesini seçin ve Tamam'ı tıklatın. Topmount örnek tutucusunun görüntüsü Navigator GUI 'nin sağ tarafında görünür.
- Ana odanın vakum seviyesi en az 1,0 E-8 mbar veya aşağıya ulaşıncaya kadar bekleyin.
- Tuz çözeltisi ile işlenmiş numuneyi içeren Metal boya arayüz montajını ve vida ve klipsleri kullanarak Topmount örnek tutucusuna hava maruz kontrolü takın.
- Sıvı metal iyon tabancası (LMıG) ve iyon ışın hizalama başlangıç
- Numuneler ana vakum odasına aktarıldıktan sonra sıvı metal iyon tabancası (LıCG), analizörü ve ışık kaynağını güçlendirmek için güç kontrolü penceresindeki limg, Analyzerve aydınlatma kutularını kontrol edin.
- Lmıg ayar sekmesini etkinleştirmek Için fpanel penceresinde görüntülenen lmıg kutusunu işaretleyin. LMIC 'yi etkinleştirmek için gösterge penceresindeki limgr sekmesinin altındaki kaynak alt sekmesinden lmık Başlat 'ı tıklatın.
- Yükleme ayarları 'nın açılır penceresinde Spektrometry ayarlarının önceden tanımlanmış dosyasını seçin ve Aç'ı tıklatın.
Not: ikili3+ birincil İyon ışını olarak seçilir. LMıG enerjisi 25 kV 'a ayarlanır. LıMG helikopter genişliği 25 NS olarak ayarlanmıştır. Emisyon akımı 1,0 μA dahil diğer ayarlar; Isıtma değeri 2,75 A; yaklaşık 800-1000 V bastırıcı; Extractor 10 kV; objektif kaynak 3,3 kV; döngü süresi 100 μs; kitle aralığı 1-870 u. Ayarlar, enstrüman modeline, LMıG 'nin kalan ömürüne ve belirli örneklere ilişkin edinme gereksinimine bağlı olarak farklılık gösterebilir. - Yüklemek için kategorilerin açılır penceresinde lmıg 'yi seçin, Seçili düğmeyi tıklatın ve Tamam'ı tıklatın.
Not: LıMG tam olarak başlatmak için yaklaşık 5 dakika sürer. - Algılanması gereken iyonları belirlemek için Fpanel 'deki enstrüman kurulumunun açılır menüsünden pozitif 'yi seçin.
Not: negatif iyonlar ölçüldüğünde, açılır menüden negatif 'yi seçin. - Analyzer 'ı etkinleştirmek için Fpanel 'deki yükleme ayarları düğmesini tıklattıktan sonra Analyzer ayarlarının önceden tanımlanmış dosyasını seçin.
Not: Analyzer hızlandırma 9,5 kV olarak ayarlanır; analiz enerjisi 2 kV 'a ayarlanır; Dedektör 9 kV olarak ayarlanmıştır. Çözümleyicisinin ayarları, farklı SıMS modellerinin yapılandırmasına bağlı olarak farklılık gösterebilir. - Navigator GUI 'Deki imleç konumunun açılır menüsünden Faraday Kupası 'nı seçin. Sahne alanı 'nı Faraday kupasına taşımak için Git 'i tıklayın.
Not: hedef akım ölçümü için sahne alanı Faraday kupasına taşıyın. - Faraday kupasını görüntülemek için Navigator GUI 'deki video açılır listesinden mikro görünümü seçin.
- Navigator GUI 'Inde mikro görünüm altındaki Faraday kupasını tıklayın ve Navigator 'da se/sı Primary gun penceresini sağ tıklattıktan sonra açılır menüden sürücü öğesini seçin Guı.
- Navigator GUI 'de se/sı Primary gun penceresini sağ tıklattıktan sonra raster görünüm alanını belirtin açılan menüsünden 20 μm x 20 μm seçin.
- İyon ışını otomatik hizalamak için gösterge penceresindeki limg sekmesinin altındaki silah alt sekmesinden C düğmesini tıklayın.
- Başlat düğmesini tıklatın ve hedef akımı ölçmek Için lmig sekmesinin altındaki pulsing alt sekmesinden DC 'nin kutusunu işaretleyin.
- LIMG sekmesinin altındaki Focus alt sekmesinden X blanking 'i tıklatın ve hedef akımı en üst düzeye çıkarmak için fare tekerleğini açın. Hedef akımı maksimize etmek için aynı sekmeden Y blanking 'i tıklatın.
Not: kütle spektrometresi modu altında ölçülen iyon ışınının hedef akımı 14 na 'dan büyük olmalıdır veya bı3+ seçiliyse, iyon sinyallerinin istenilen yoğunlukları elde etmek için 0,5 Pa 'dan büyük olmalıdır. - Hedef akımı ölçümünü durdurmak için odak alt sekmesinden Durdur düğmesini tıklatın.
- İlgi bölgesinde ışın odağı ayarı
- Joystick kontrol panelindeki Z düğmesine basın ve Extractor Cone Metal boya arayüz montajın üst kısmına gelene kadar örnek aşamayı düşürmek için joystick 'i yukarı itin.
Not: Bu adım yapılırken Extractor Cone ve örnekleri arasında bir çarpışma önlemek için önemlidir. - Joystick 'deki X ve Y düğmelerini basın ve navigasyon GUI 'sinde makro görünümünde görüntüleninceye kadar arayüz aksamını getirmek için joystick 'i sol/sağ ve yukarı/aşağı taşıyın.
- Gezici GUI 'de mikro görünüme geçiş yapın metal-Paint ARABIRIMININ ilgi bölgesini (YG) bulmak için.
- Görünüm alanını genişletmek için se/sı birincil silah penceresini sağ tıkladıktan sonra yg 'yi 300 μm x 300 μm olarak ayarlayın.
- Sinyal türü seçin sı, raster boyutu 128 x 128 piksel, ve raster türü rasgele se/sı birincil tabanca Navigator GUI.
- Siyah üçgen düğmesini ve se/sı Primary gun PENCERESINDEKI Adjust sı düğmesini tıklatın. YG 'nin ikincil iyon (sı) görüntüsünün yuvarlak şekli se/sı Primary gun penceresinde görünecektir.
- Joystick kontrol panelindeki Z düğmesine basın. Sı görüntünün yuvarlak şeklini se/sı Primary gun penceresinde çapraz saç merkezine getirmek için joystick 'i yukarı veya aşağı taşıyın.
Not: çapraz saç sı görüntü yuvarlak şeklin ortasında ise, görüntü iyi odak ile elde edilir gösterir. - İşaretini kaldırın Ayarla düğmesini tıklatın ve odak ayarını durdurmak için se/sı Primary gun penceresindeki kare düğmesine tıklayın.
- Joystick kontrol panelindeki Z düğmesine basın ve Extractor Cone Metal boya arayüz montajın üst kısmına gelene kadar örnek aşamayı düşürmek için joystick 'i yukarı itin.
- Yüksek akım modu/DC modunu kullanarak yüzey kaplamasının ve kontaminasyonun kaldırılması
- DC Temizleme ilerlemesini izlemek için se/sı Primary gun penceresinin açılır menüsünden se görüntüsünü seçin.
- Fpanel DC kutusunu işaretleyin ve DC Temizleme başlatmak için siyah üçgen düğmesini tıklatın.
Not: DC 'yi 10 s için veya SE görüntüsü altın katmanının kaldırıldığını gösterinceye kadar tutun. DC temizleme süresi, kaplamanın kalınlığına bağlı olarak farklılık gösterebilir. - Siyah kare düğmesini tıklatın, altın kaplamanın Navigator GUI 'de mikro görünüm üzerinden KALDıRıLDıĞıNı gözlemlerken DC temizlemeyi durdurmak için.
- SE görüntüsünü Navigator GUI 'sinde sı görüntüsüne geçin.
Not: DC ışınının (~ 14 nA) au kaplama ve diğer yüzey kontaminasyonunu kaldırmak için yeterince güçlü olduğundan, DC ışını kullanma nedeni, darbeli ışın akımı (~ 1 pA) yeterli değildir.
- Bir Flood tabanca kullanarak yüzey şarj telafisi etkinleştirilmesi
- Şarj telafisini etkinleştirmek için Fpanel 'deki Flood gun kutusunu kontrol edin.
- Fpanel 'deki ayar dosyasını yükle düğmesini tıklatın. Flood silah ayarlarını yüklemek için yükleme ayarları tıkladıktan sonra Flood gun ayarları önceden tanımlanmış dosyayı seçin.
Not: Flood silah ayarları şunlardır: 20 V enerji, 300 V bir anot, 2,0 μs bir gecikme, bir Flood silah filament akım 2,4 A, ve bir Flood tabanca dışarı yol 2,0 μs. Sel silahın ayarları farklı enstrümanlara göre farklılık gösterebilir. - Sadece YG üzerinde odağı yeniden ayarlamak için 2.3.6-2.3.7 adımları yineleyin.
Not: au kaplama kaldırıldıktan hemen sonra YG 'nin yüksekliği değişecek. Bu nedenle, sadece odağı yeniden ayarlamak için gereklidir. - Gösterge penceresindeki Analyzer/Main sekmesinin TOF alt sekmesinden Yansıtıcıyı tıklatın.
- Yansıtıcı çubuğunun sol tarafındaki değeri tıklayın, sı görüntüsünün yuvarlak şekli kayboluncaya kadar reflektör gerilimini azaltmak için. Sonra, reflektör gerilimi 20 V ile artırın.
Not: Bu işlem, düz bir görüntüleme yüzeyi ve maksimum sı sinyalleri sağlamak için yapılır. Negatif modda, sı görüntünün yuvarlak şekli kayboluncaya kadar reflektör voltajını artırın ve sonra 20 V aşağı getirin. - Odak ve reflektör voltaj ayarını durdurmak için adım 2.3.8 tekrarlayın.
- Yüksek çözünürlüklü kütle spektrumunun edinme
- Spektrum ve görüntü programlarını açmak için Fpanel 'deki spektrum ve görüntünün simgelerini tıklayın.
- Mikro görünümde Metal boya ARABIRIMININ seçilen YG 'sini görüntüleyin.
- Hızlı bir tarama başlatmak için Navigator GUI üçgen düğmesini tıklatın ve spektrum programında bir SIMS spektrum görünecektir; hızlı tarama durdurmak için siyah kare tıklayın.
Not: hızlı tarama sadece birkaç tarama almak ve genellikle birkaç saniye sürer. - Spectrum programının araç çubuğundaki spektrumunun açılan listesinden kütle kalibrasyonunu seçin veya hızlı tarama tamamlandıktan sonra kütle kalibrasyonu penceresini getirmek için F3 tuşuna basın.
- Karşılık gelen zirveleri tıklatarak kütle spektrumunu ayarlamak için tanınan zirveleri seçin, formülü kütle kalibrasyon penceresine ekleyin ve üst seçim bittiğinde kütle kalibrasyonu penceresinden çıkmak için Tamam 'ı tıklatın.
Not: ch3+, C3H3+, ve aloh+ pozitif kütle spektrumunu kalibre etmek için seçilir; iken OH- ve CN¬ ve Alo- negatif kitle spektrumunu kalibre etmek için seçilir. Kütle kalibrasyonu için seçilen zirveler farklı örneklere göre farklılık gösterebilir. Seçilen doruklarına sapma, doğru en yüksek kimlik tespiti için 30 ppm 'den az. - Spektrumdaki seçilen iyonların zirvesine tıklayarak ve araç çubuğundaki en yüksek Ekle düğmesini tıklatarak, ilgi alanlarını zirve listesine ekleyin.
- Fpanel 'deki kırmızı üçgen düğmesini tıklatarak Başlangıç ölçümü penceresini açın.
- Raster türü ayarlamak rasgele, 128 x 128 pikselve 1 çekim/piksel, tarama sayısını ayarlamak IÇIN 60 taramaları açılır pencerede, ve tıklayın ok YG Mass Spectrum edinme başlatmak için.
Not: istenen tarama sayısı elde edildikten sonra kitle spektrum edinme otomatik olarak durur. - Elde edilen kütle spektrumunu kaydetmek için Fpanel 'de dosyayı kaydet 'i tıklayın ve belirtilen bir dosya adıyla adlandırın (örn., tuz solüsyonu tedavi edilen, hava maruz).
- Fpanel 'de polariteyi negatif olarak değiştirin ve aynı YG için negatif kütle spektrumunu elde etmek için 2.5.3-2.6.9 adımlarını tekrarlayın.
Not: Her örnekteki dört farklı ROIs 'in SıMS kütle spektrumları Bu çalışmada pozitif ve negatif polariteler için elde edilmiştir.
- Ek analizler için analiz edilen YG konumunun kaydedilmesi
- Navigator GUI 'deki Ekle düğmesini tıklayın ve açılır pencerede YG 'nin adını girin (örn. tuz çözümü 1).
- Aşama POS düğmesini TıKLATıN ve ROI konumunu kaydetmek için ok düğmesini tıklatın.
Not: YG konumu ek SıMG görüntüleme analizi için kaydedilir.
- Yüksek çözünürlüklü SIMS görüntü edinme
- Fpanel 'deki ayar dosyasını yükle düğmesini tıklatın ve önceden tanımlanmış görüntüleme ayarı dosyasını seçin. Görüntüleme ayarlarını yüklemek için Aç 'ı tıklatın.
Not: en yüksek lateral çözünürlük veya en küçük nokta boyutu collimated modunda (yani, DC modu) optimize edilmiştir. Bu modda, pancarı çizgisinin en küçük açıklığı diyafram açısını belirler. ToF-SIMS yapılandırma ayarına göre, en yüksek lateral çözünürlük DC akım yaklaşık 50 pA ve odak yaklaşık 100 Nm ulaşabilir olduğunda. Bu çözünürlüğü elde etmek için, DC akım aşağı gidiyor gözlemlerken objektif kaynak artırın ve son DC akım ulaşır 50 pA kadar X blanking ve Y blanking optimize. Aşağıdaki görüntüleme modu ayrıntılı parametre ayarlarını listeler. İki3+ birincil İyon ışını olarak seçilir. LMıG enerjisi 25 kV 'a ayarlanır. LıMG helikopter genişliği 100 ns olarak ayarlanır ve helikopter uzaklığı 30,9 NS olarak ayarlanır. Diğer ayarlar 1,0 μA emisyon akımı içerir; Isıtma değeri 2,75 A; yaklaşık 800-1000 V bastırıcı; Extractor 10 kV; objektif kaynak 3,5 kV; döngü süresi 100 μs; kitle aralığı 1-870 u. - Pencere yüklemek için açılır kategorilerde lmıg 'yi seçin.
- Hedef akımı ölçmek ve İyon ışını hizalamak için 2.2.7-2.2.14 adımlarını yineleyin.
Not: görüntüleme modunda istenen hedef akım 0,6 na veya ölçüm için bi3+ seçiliyse yaklaşık 1 PA değerinden büyük olmalıdır. - Navigator GUI 'Deki imleç konumunun açılan listesinden kaydedilmiş YG konumunu seçin. Git'i tıklatın.
Not: Bu adım, kütle spektrumunun ve görüntü eşlemesinin aynı YG 'den elde edilmesini sağlar. - Reflektör voltajını ayarlamak için 2.5.4 ve 2.5.5 adımları yineleyin.
- Görüntüleme modunda kütle kalibrasyonunu yapmak için 2.6.3-2.6.6 adımlarını yineleyin.
Not: yazılım, kütle kalibrasyonunu yaparken seçilen zirveleri kaydedememişse, kütle kalibrasyon penceresinde Seçili kanal kullan kutusunu işaretleyin. - Görüntü verilerini toplamak için 2.6.7 ve 2.6.8 adımları yineleyin.
Not: görüntüleme modunda, raster türünü rasgele, 256 x 256 pikselve 1 çekim/pikselolarak ayarlayın, tarama SAYıSıNı 150 taramaları olarak ayarlayın ve YG 'nin görüntü edinimini başlatmak için Tamam 'ı tıklatın. Görüntü çözünürlüğü ve tarama farklı olabilir ve örnek bağlı olarak belirlenmelidir.
- Fpanel 'deki ayar dosyasını yükle düğmesini tıklatın ve önceden tanımlanmış görüntüleme ayarı dosyasını seçin. Görüntüleme ayarlarını yüklemek için Aç 'ı tıklatın.
- Numunenin vakum odasından alınması
- Navigator GUI 'Deki imleç konumunun açılan listesinden Aktar 'ı seçin ve örnek aşamasını kapının yakınında getirmek için Git düğmesini tıklatın.
- Adım 2.1.6 tekrarlayarak kapısı açın.
- Örnek transfer kolunu ana odaya itin ve kol çubuğunu saat yönünde çevirin ve örnek tutucunun iğnesine bağlanıncaya kadar ileri doğru döndürün.
- Transfer kolunu geri çevirin ve tüm yolu tekrar çekin.
- Fpanel üzerindeki düğmeyi tıklayarak kapıyı kapatın ve açılır menü seçin örnek tutucu penceresinde örnek tutucusu yok 'u seçin.
- Yük kapağının kapısının üzerindeki kilitleme vidasını sökün ve yük kilidi havalandırmak için Fpaneldeki düğmeyi Durdur 'u tıklayın.
Not: havalandırma yaklaşık 3-5 dk. alır. - Sağa transfer kolu salıncak ve örnek tutucu serbest bırakmak için saat yönünün tersine transfer kol çubuğunu açın.
- Transfer kolunu geri salıncak ve yük kilidi kapısının kilitleme vidasını sıkın.
- Yük kilidini aşağı pompalamak için Fpanel 'deki Başlat düğmesini tıklayın.
- Numune tutucu Metal boya arayüzü reçine montaj dışarı alın ve temiz bir petri çanak yerleştirin.
- LıMG 'nin kapatılması
- Gösterge penceresindekilmıg sekmesinin altındaki alt sekmesinden Lmıg 'yi durdur 'u tıklatın.
- Fpanel Lmıg ve Flood gun kutularını işaretini kaldırın ve Güç penceresinde aydınlatma kutusunun işaretini kaldırın.
3. ToF-SIMS verilerinin analizi
-
SIMS spektrum verilerinin ihracatı
- Spectrum program penceresinin araç çubuğundaki Dosya 'ya tıklayın ve açılır listeden Dışa Aktar 'ı seçin.
- Spektrum dosyasını adlandırın, belirlenmiş klasörde. txt dosyası olarak kaydedin ve Tamam'ı tıklatın.
- Binning kanalını tanımlamak için açılır pencerede sayı 10 yazın ve Tamam'ı tıklatın.
Not: kitle spektrumunu dışa aktarmadan önce 10 kanal binning, kitle çözünürlüğünü ve doğruluğunu korurken veri boyutunu azaltmak için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. - SıMS görüntü verilerini dışa aktarın.
- Resim programı simgesini TıKLATıN ve SIMS görüntülerini görüntülemek için alınan görüntü dosyalarını çift tıklatın.
- Belirli bir kimyasal türün görüntüsünü listeden görüntü ekranı penceresine sürükleyin ve aşağıdaki görüntü işlemi penceresini açmak için bu görüntüyü çift tıklatın.
- Seçilen kimyasal türlerin görüntüsünü, görüntü işlemi penceresinin açılır listesinden Normalleştir 'i seçerek toplam iyonlarının görüntülerine Normalleştir.
- Görüntü işlemi penceresindeki Renk ölçeğini ayarlayarak farklı örnekler arasındaki kimyasal dağılımını karşılaştırmak için aynı renk ölçeğini uygulayın.
Not: görüntülerin ham verileri dışa aktarılabilir ve başka bir grafik yazılımı kullanılarak çizilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 3 , tuz çözeltisi ve havaya maruz kalan arayüz ile tedavi edilen metal boya arayüzü arasında kütle spektrumunun karşılaştırılması sunar. İki numunenin kütle spektrumları 300 μm x 300 μm Rois cinsinden 25 kV bi3+ İyon ışını taraması kullanılarak elde edilmiştir. Tuz çözeltisi tedavi numunesinin kütle çözünürlüğü (m/∆ m) m/z- 26 zirvesinde yaklaşık 5.600 idi. Kütle Spectra ham veri 10 kanal binning sonra ihraç edildi. Sunum için kitle spektrumunu çizmek için bir grafik yazılım uygulandı. Al korozyon başladıktan sonra al (OH)3 içeren koruyucu katmanların oluşturduğu bilinmektedir6. Oksit (Al3o5-) ve oxyhidroksit türleri (Al2o4h-, Al2o5h3-, Al3o6H2-) al (Oh)3 parça7 , tuz çözeltisi-maruz kalan el kuponunun Metal boya arayüzünde gözlemlenmiştir (Şekil 3a) ve hava maruz kalan örnekteki aynı doruklara kıyasla daha belirgindir (Şekil 3b ). Bu tuz çözüme maruz al kupon hava maruz biri ile karşılaştırıldığında daha şiddetli korozyon yaşadı gösterir. Sonuç, deniz suyu gibi tuzları içeren çözümlerin kimyasal olarak agresif olduğunu ve bir al alaşımının korozyon sürecine katkıda bulunduğu bilinen bilgi ile uyumludur.
Şekil 4 , seçilmiş al türlerin 2B moleküler görüntülerini tasvir ediyor m/z- 161 Al3o5- ve 179 Al3o6H2- tuz çözeltisi ile tedavi edilen metal boya arayüzünden elde edilen ( Şekil 4a) ve havaya maruz kalan arayüz (Şekil 4b). M/z- 161 ve 179 ' in tasvir edilen iyon yoğunlukları her ikisi de toplam iyonlarının yoğunluğuna normale döndü. Aynı tepe görüntüleri aynı renk ölçeği için ayarlandı. Görüntüler, 300 μm x 300 μm YG 'nin 256 x 256 piksel 100 taramaları elde edilmiştir. 2B görüntüler, al korozyon ürünlerinin kimyasal türlerinin iki farklı örneklerde dağılımını sağlar. M/z- 161 ve 179 zirveleri, tuz çözeltisi ile tedavi edilen metal boya arayüzünde daha yaygındır ve hava maruz kalan örnekteki örneklerin daha güçlü yoğunlukları gösteriliyor. Bu sonuç kitle spektrum sonuçları ile kabul eder ve daha fazla kimyasal tanımlama ve moleküler görüntüleme ToF-SIMS ' i s analitik yeteneklerini göstermektedir.
Şekil 1 : Metal boya arayüz hazırlama sürecini gösteren fotoğraflar. Şekil 1 Metal boya arayüz hazırlama sürecini tasvir ediyor. Al Kuponlar epoksi reçine (a) ile sabitlendikten sonra, ticari boya ürünü ile püskürtecekli ve tamamen kuru (b) olana kadar 24 saat için ayarlandı. Al kupon silindirlerinin (c) üstünde boya üzerine dört satır yazılmış. Oyulmuş al kupon silindirleri, Petri yemeklerinde (d) 3 hafta boyunca hava veya tuz çözeltisi maruz kaldı. Al kupon silindirleri kesilmiş ve Metal boya arayüzleri (e) ortaya çıkarmak için kesilmiş ve TOF-SIMS Analizi (f) önce altın katmanları ile kaplanmış. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 2 : TOF-SIMS tarafından Metal boya arayüz analizinin şematik ve ıONTOF V enstrüman bir fotoğraf. Şekil 2 TOF-SIMS kullanarak Metal boya arabiriminin analiz sürecini göstermektedir. Metal boya arayüzü (a) bir bi3+ Primary İyon ışını tarafından bombardıman ve ikincil iyonların ürettiği, Mass Spectra (b) ve bir SIMS görüntü (c) sonuçlanan. Bu çalışma içinde açıklanan Metal boya arayüz analizi için kullanılan ToF-SIMS V enstrüman (d) görüntülenir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 3 : Al kuponların Metal boya arayüzlerinin kütle spektrumları karşılaştırması. Şekil, tuz çözeltisi ile tedavi edilen ve hava ile tedavi edilen arayüz arasındaki spektral farkı gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 4 : Al kuponların Metal boya arayüzünde kimyasal türlerin moleküler görüntüleri. Bu karşılaştırma, tuz çözeltisi ve hava ile korozyona neden olan türlerin 2D dağılımının farkını gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ToF-SIMS iki scintillators arasındaki uçuş zamanlarına göre iyonlarını ayırt eder. Topografya veya numune pürüzlülüğü, farklı başlangıç pozisyonlarında bulunan iyonların Uçuş süresini etkiler, bu da genellikle yüksek genişlikleri olan düşük bir kütle çözünürlüğüne yol açar. Bu nedenle, iyi sinyal toplama8sağlamak için çok düz, Rois analiz ediliyor önemlidir.
Önlemek için başka bir tuzaklık şarj olduğunu. Al-Paint arayüzü yalıtım reçine ile sabit olduğundan, şarj bekleniyor. YG, primer iyon ışınıyla bombardıman edilirken, yüzeyden yayılan iyonlarının kinetik enerjilerini etkileyen, örnek yüzeyde şarj birikir. Geniş doruklarda şarj sonuçları ve azalan kütle çözünürlüğü. Bu etkinin olumsuz etkisini önlemek için, SIMS analizinden önce iletken yolu oluşturmak için arayüz yüzeyinde 10 Nm altın fışkırıyordu. Diğer yöntemler, sel tabanca uygulama, reflektör voltajı optimize ve kiriş raster desen olarak rasgele modu seçerek dahil olmak üzere şarj efekti azaltmak için uygulanabilir. Flood silah düşük enerji ile istikrarlı bir elektron akımı üretir. Genellikle SIMS Analizi9,10,11sırasında şarj telafisi için kullanılır. Buna ek olarak, reflektör gerilimi, kütle çözünürlüğünü artıran bir iyon optik, şarj derecesine bağlı olarak, ayarlanması gerekir. ToF-SIMS yazılımı, protokolün adım 2.5.5 açıklandığı gibi reflektör optimize etmek için etkili bir yol sağlar. SIMS verilerini almadan önce ışın raster deseni olarak rasgele mod seçimi daha fazla şarj etkisini azaltır. Bu mod, satır satırı tarama modunda oluşabilecek sorunu azaltır ve birikmiş ücretin9,11' i dağıtması için daha fazla zaman sağlar.
TOF-SIMS,-CS+, C60+ve bın+ile sınırlı olmamak üzere, birden fazla İyon kaynağı ile donatılabilir. Polyatomik iyon kaynakları (örn., bı3+ ve C60+), atomik iyon kirişler (örn., CS+ ve bi1+) ile karşılaştırıldığında örnek yüzeyden yayılan ikincil iyonların daha yüksek verimleri üretir12 ,13. Ayrıca, bı3+ -C60+, bı3+ karşılaştırması, düşük kütle parçalara karşı daha hassastır ve böylece daha iyi görüntüler12ile daha yüksek bir lateral çözünürlüğe sahiptir. Bu nedenle, biz alüminyum korozyon türleri ile ilgili düşük kütle doruklarına odaklanmış beri bu çalışmanın analiz ışını olarak bi3+ seçildi.
ToF-SIMS, yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip kimyasal özgüllük sağlayan hassas bir yüzey tekniğidir14. Korozyon çalışmalarında uygulanan diğer yüzey araçları arasında XPS ve SEM/EDX2,15,16,17bulunmaktadır. XPS, bir numune içinde mevcut olan ancak daha yüksek LOD (% 0,1) olan öğelerin kimyasal durumunun ve elektronik durumunun nicel ölçümlerini sağlayabilir SIMS daha (parçaları-başına milyar-Parts-milyon düzeyi)18,19. SEM/EDX ToF-SIMS gibi hassas değildir, se genellikle yüzeylerin morfolojik özellikleri elde etmek için kullanılır. Buna ek olarak, SIMS kimyasal haritalama mümkün korozyon arayüzünde moleküler iyon dağılımı görselleştirmek için yapar, SEM/EDX sadece Elemental iyon haritalama sağlar iken. Böylece, SIMS 'in moleküler haritalama arayüzey korozyon sürecini araştırırken daha bilgilendirici.
Bu çalışma ToF-SIMS, düşük LOD, yüksek kütle çözünürlüğü ve yüksek uzamsal çözünürlüğe bağlı olarak arayüzde korozyon belirlemesini deşifre etmek için güçlü bir araçtır. Ayrıca, SIMS, onun yarı-tahribatsız doğası ile ilişkilendirilebilir Multimodal mikroanaliz sunar. Böylece, aynı örnek diğer analitik araçlar tarafından analiz edilebilir ve kapsamlı bilgi sağlayabilir. İdeal olarak, SIMS, XPS ve SEM entegrasyonu Metal boya arayüzünde korozyon davranışına ilişkin daha kapsamlı öngörüler sağlayabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı (PNNL) tarafından desteklenen QuickStarter programı tarafından finanse edilmiştir. PNNL, Battelle tarafından ABD DOE için işletilmektedir. Bu çalışma, PNNL 'deki biyolojik bilimler tesisinde (BSF) bulunan ıONTOF ToF-SIMS V kullanılarak yapılmıştır. JY ve X-Y Yu, PNNL 'de atmosferik Bilimler & küresel değişim (ASGC) bölümü ve fiziksel ve Hesaplamalı Bilimler Müdürlüğü (PCSD) desteğini de kabul etti
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.05 µm Colloidal Silica polishing Solution | LECO | 812-121-300 | Final polishing solution |
| 1 µm polishing solution | Pace Technologies | PC-1001-GLB | Water based polishing solution |
| 15 µm polishing solution | Pace Technologies | PC-1015-GLBR | Water based polishing solution |
| 3 µm polishing solution | Pace Technologies | PC-1003-GLG | Water based polishing solution |
| 6 µm polishing solution | Pace Technologies | PC-1006-GLY | Water based polishing solution |
| Balance | Mettler Toledo | 11106015 | It is used for measuring the chemicals. |
| Epothin 2 epoxy hardener | Buehler | 20-3442-064 | Used for casting sample mounts |
| Epothin 2 epoxy resin | Buehler | 20-3440-128 | Used for casting sample mounts |
| Fast protein liquid chromatography (FPLC) conductivity sensor | Amersham | AKTA FPLC | Used to measure the conductivity of the salt solution. |
| Final B pad | Allied | 90-150-235 | Used for 1 µm and 0.05 µm polishing steps |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | Used to make the salt solution. |
| Low speed saw | Buehler Isomet | 11-1280-160 | Used to cut the Al coupons that are fixed in the epoxy resin. |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | 63042 | Used to make the salt solution. |
| MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506 | It is used to make the salt solution. |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | It is used to make the salt solution. |
| NaOH | Sigma-Aldrich | 306576 | It is used for adjusting pH of the salt solution. |
| Paint | Rust-Oleum | 245217 | Universal General Purpose Gloss Black Hammered Spray Paint. It is used to spray on the Al coupons. |
| Pan-W polishing pad | LECO | 809-505 | Used for 15, 6, and 3 µm polishing steps |
| pH meter | Fisher Scientific | 13-636-AP72 | It is used for measuring the pH of the salt solution. |
| Pipette | Thermo Fisher | Scientific | Range: 10 to 1,000 µL |
| Pipette tip 1 | Neptune | 2112.96.BS | 1,000 µL |
| Pipette tip 2 | Rainin | 17001865 | 20 µL |
| Silicon carbide paper | LECO | 810-251-PRM | Grinding paper, 240 grit |
| Sputter coater | Cressington | 108 sputter coater | It is used for coating the sample. |
| Tegramin-30 Semi-automatic polisher | Struers | 6036127 | Coarse/fine polishing/grinding |
| ToF-SIMS | IONTOF GmbH, Münster, Germany | ToF-SIMS V, equipped with Bi liquid metal ion gun and flood gun | It is used to acquire mass spectra and images of a specimen. |
| Vibromet 2 vibratory polisher | Buehler | 67-1635-160 | Final polishing step |
References
- Szklarska-Smialowska, Z. Pitting corrosion of aluminum. Corrosion Science. 41, 1743-1767 (1999).
- Liu, M., et al. A first quantitative XPS study of the surface films formed, by exposure to water on Mg and on the Mg-Al intermetallics: Al3Mg2 and Mg17Al12. Corrosion Science. 51 (5), 1115-1127 (2009).
- Linford, M. R. An introduction to time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Vacuum Technology & Coating. , (2014).
- Cushman, C., et al. A pictorial view of LEIS and ToF-SIMS instrumentation. Vacuum Technology & Coating. , 27-35 (2016).
- Soler, L., et al. Hydrogen generation by aluminum corrosion in seawater promoted by suspensions of aluminum hydroxide. International Journal of Hydrogen Energy. 34 (20), 8511-8518 (2009).
- Ahmad, Z., Abdul Aleem, B. J. Degradation of aluminum metal matrix composites in salt water and its control. Materials & Design. 23 (2), 173-180 (2002).
- Verdier, S., Metson, J. B., Dunlop, H. M. Static SIMS studies of the oxides and hydroxides of aluminium. Journal of Mass Spectrometry. 42 (1), 11-19 (2007).
- Esmaily, M., et al. A ToF-SIMS investigation of the corrosion behavior of Mg alloy AM50 in atmospheric environments. Applied Surface Science. 360, 98-106 (2016).
- Hunt, C. P., Stoddart, C. T. H., Seah, M. P. The surface analysis of insulators by SIMS: Charge neutralization and stabilization of the surface potential. Surface and Interface Analysis. 3 (4), 157-160 (1981).
- Stingeder, G. Quantitative distribution analysis of B, As and Sb in the layer system SiO2/Si with SIMS: elimination of matrix and charging effects. Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie. 327 (2), 225-232 (1987).
- Cushman, C., et al. Sample Charging in ToF-SIMS: How it Affects the Data that are Collected and How to Reduce it. Vacuum Technology & Coating. , (2018).
- Dubey, M., Brison, J., Grainger, D. W., Castner, D. G. Comparison of Bi(1), Bi(3) and C(60) primary ion sources for ToF-SIMS imaging of patterned protein samples. Surface and Interface Analysis: SIA. 43 (1-2), 261-264 (2011).
- Kozole, J., Winograd, N. Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry. Surface Analysis and Techniques in Biology. Smentkowski, V. S. , Springer International Publishing. Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London. 71-98 (2014).
- Tyler, B. J., Rayal, G., Castner, D. G. Multivariate analysis strategies for processing ToF-SIMS images of biomaterials. Biomaterials. 28 (15), 2412-2423 (2007).
- Song, W., et al. Corrosion behaviour of extruded AM30 magnesium alloy under salt-spray and immersion environments. Corrosion Science. 78, 353-368 (2014).
- Esmaily, M., et al. On the capability of in-situ exposure in an environmental scanning electron microscope for investigating the atmospheric corrosion of magnesium. Ultramicroscopy. 153, 45-54 (2015).
- Liao, J., Hotta, M., Motoda, S. -i, Shinohara, T. Atmospheric corrosion of two field-exposed AZ31B magnesium alloys with different grain size. Corrosion Science. 71, 53-61 (2013).
- deVries, J. E. Surface characterization methods- XPS,TOF-SIMS, and SAM a complimentary ensemble of tools. Journal of Materials Engineering and Performance. 7 (3), 303-311 (1998).
- Zhang, H. Surface characterization techniques for polyurethane biomaterials. Advances in Polyurethane Biomaterials. Cooper, S. L., Guan, J. , Woodhead Publishing. 23-73 (2016).
