Co-lokalisatie kelvin probe force microscopie met andere microscopieën en spectroscopieën: geselecteerde toepassingen in corrosiekarakterisering van legeringen

Summary

Kelvin probe force microscopie (KPFM) meet oppervlaktetopografie en verschillen in oppervlaktepotentiaal, terwijl scanning elektronenmicroscopie (SEM) en bijbehorende spectroscopieën oppervlaktemorfologie, samenstelling, kristalliniteit en kristallografische oriëntatie kunnen ophelderen. Dienovereenkomstig kan de co-lokalisatie van SEM met KPFM inzicht geven in de effecten van nanoschaalsamenstelling en oppervlaktestructuur op corrosie.

Abstract

Kelvin probe force microscopie (KPFM), ook wel surface potential microscopy genoemd, is de nanoschaalversie van de eerbiedwaardige scanning Kelvin-sonde, die beide het Volta-potentiaalverschil (VPD) meten tussen een oscillerende sondepunt en een monsteroppervlak door een nulspanning toe te passen die gelijk is in grootte maar in teken tegengesteld is aan het tip-sample potentiaalverschil. Door een geleidende KPFM-sonde over een monsteroppervlak te scannen, kunnen variaties op nanoschaal in oppervlaktetopografie en potentieel in kaart worden gebracht, waarbij waarschijnlijk anodische en kathodische regio's worden geïdentificeerd en de inherente materiële drijvende kracht voor galvanische corrosie wordt gekwantificeerd.

Latere colokalisatie van KPFM Volta potentiaalkaarten met geavanceerde scanning elektronenmicroscopie (SEM) technieken, waaronder back scattered electron (BSE) beelden, energy dispersive spectroscopy (EDS) elemental composition maps, en electron backscattered diffraction (EBSD) inverse pool figuren kunnen meer inzicht geven in structuur-eigenschap-prestatie relaties. Hier worden de resultaten gepresenteerd van verschillende studies die KPFM co-lokaliseren met SEM op een breed scala aan legeringen van technologisch belang, wat het nut aantoont van het combineren van deze technieken op nanoschaal om corrosie-initiatie en -voortplanting op te helderen.

Belangrijke punten om te overwegen en mogelijke valkuilen om te vermijden bij dergelijke onderzoeken worden ook benadrukt: in het bijzonder de kalibratie van de sonde en de mogelijke verstorende effecten op de gemeten VPD's van de testomgeving en het monsteroppervlak, inclusief omgevingsvochtigheid (d.w.z. geadsorbeerd water), oppervlaktereacties / oxidatie en polijstafval of andere verontreinigingen. Daarnaast wordt een voorbeeld gegeven van het co-lokaliseren van een derde techniek, het scannen van confocale Raman-microscopie, om de algemene toepasbaarheid en bruikbaarheid van de colokalisatiemethode aan te tonen om verder structureel inzicht te bieden dan dat van op elektronenmicroscopie gebaseerde technieken.

Introduction

Microscopische karakterisering van materialen is van fundamenteel belang voor het begrijpen en ontwikkelen van nieuwe materialen. Talrijke microscopiemethoden bieden kaarten van materiaaloppervlakken en hun eigenschappen, waaronder topografie, elasticiteit, spanning, elektrische en thermische geleidbaarheid, oppervlaktepotentiaal, elementaire samenstelling en kristaloriëntatie. De informatie die door één microscopiemodaliteit wordt verstrekt, is echter vaak onvoldoende om de verzameling eigenschappen die kunnen bijdragen aan het materiële gedrag van belang volledig te begrijpen. In sommige gevallen zijn geavanceerde microscopen gebouwd met gecombineerde karakteriseringsmogelijkheden, zoals een omgekeerd optisch microscoopplatform dat een atoomkrachtmicroscoop (AFM) bevat of met behulp van meerdere scanning probe-modaliteiten (bijv. Kelvin-sondekrachtmicroscopie [KPFM] of intermodulatie-elektrostatische krachtmicroscopie [ImEFM¹], oppervlaktepotentiaalmetingen en magnetische krachtmicroscopie [MFM])^{2,3,4, 5} om een steekproef op dezelfde AFM te karakteriseren. Meer in het algemeen zou men de informatie van twee afzonderlijke microscopen willen combineren om structuur-eigenschap correlaties ^6,7 te verkrijgen. De colokalisatie van het scannen van Kelvin-sondekrachtmicroscopie met scanningelektronen en op Raman gebaseerde microscopieën en spectroscopieën wordt hier gepresenteerd om een proces te illustreren voor het correleren van informatie verkregen uit twee of meer afzonderlijke microscopen door middel van een specifiek toepassingsvoorbeeld, namelijk multimodale karakterisering van metaallegeringen om corrosiegedrag te begrijpen.

Corrosie is het proces waarbij materialen chemisch en elektrochemisch reageren met hun omgeving⁸. Elektrochemische corrosie is een spontaan (d.w.z. thermodynamisch gunstig, aangedreven door een netto afname van vrije energie) proces met elektronen- en ladingsoverdracht dat plaatsvindt tussen een anode en een kathode in aanwezigheid van een elektrolyt. Wanneer corrosie optreedt op een metaal- of legeringsoppervlak, ontwikkelen anodische en kathodische gebieden zich op basis van variaties in de samenstelling van microstructurele kenmerken in een proces dat bekend staat als microgalvanische corrosie⁹. Door het gebruik van co-gelokaliseerde karakteriseringstechnieken op nanoschaal, bieden de hier beschreven methoden een experimentele route om waarschijnlijke microgalvanische paren te identificeren tussen een breed scala aan microstructurele kenmerken van legeringen, wat potentieel nuttig inzicht biedt voor corrosiemitigatie en de ontwikkeling van nieuwe materialen. De resultaten van deze experimenten kunnen bepalen welke microstructurele kenmerken aan het legeringsoppervlak waarschijnlijk zullen dienen als lokale anodeplaatsen (d.w.z. plaatsen van oxidatie) of kathodes (d.w.z. plaatsen van reductie) tijdens actieve corrosie, en nieuw inzicht bieden in de nanoschaalkenmerken van corrosie-initiatie en reacties.

KPFM is een AFM-gebaseerde scanning probe microscopie (SPM) karakteriseringstechniek die gelijktijdige (of lijn-voor-lijn sequentiële) topografie en Volta potential difference (VPD) kaarten van een monsteroppervlak kan genereren met resoluties in de orde van grootte van 10 nanometer en millivolts, respectievelijk¹⁰. Om dit te bereiken, maakt KPFM gebruik van een geleidende AFM-sonde met een tip op nanoschaal. Doorgaans volgt de sonde eerst de topografische variaties in het monsteroppervlak en tilt vervolgens op tot een door de gebruiker gedefinieerde hoogte boven het monsteroppervlak voordat de topografielijn wordt gevolgd om de VPD tussen de sonde en het monster te meten (d.w.z. de relatieve Volta-potentiaal van het monsteroppervlak). Hoewel er meerdere manieren zijn om KPFM-metingen praktisch te implementeren, wordt de bepaling van de VPD fundamenteel uitgevoerd door tegelijkertijd zowel een AC-bias (in de gepresenteerde implementatie, op de sonde) als een variabele DC-bias (in de gepresenteerde implementatie op het monster) toe te passen om het tip-sample potentiaalverschil teniet te doen zoals aangegeven door de oscillatie van de sonde op de toegepaste AC-biasfrequentie (of de heterodyen-versterkte som- en verschilfrequenties op aan weerszijden van de natuurlijke mechanische resonantiefrequentie van de sonde) ¹¹. Ongeacht de implementatiemethode produceert KPFM gecorreleerde topografie met hoge laterale ruimtelijke resolutie en VPD-kaarten over een metalen oppervlak¹².

De VPD gemeten via KPFM is direct gecorreleerd met het verschil in werkfunctie tussen het monster en de sonde, en bovendien is de VPD (over het algemeen) trends met de elektrodepotentiaal in oplossing 13,14,15. Deze relatie kan worden gebruikt om het verwachte (lokale) elektrodegedrag van microstructurele kenmerken te bepalen op basis van de VPD en is onderzocht voor een aantal corrodingsystemen van metaallegeringen 15,16,17,18,19,20,21,22 . Bovendien is de gemeten VPD gevoelig voor lokale samenstelling, oppervlaktelagen en korrel / kristal / defectstructuur, en biedt daarom op nanoschaal opheldering van de kenmerken die naar verwachting corrosiereacties op een metalen oppervlak zullen initiëren en aansturen. Opgemerkt moet worden dat de VPD (Ψ) gerelateerd is aan, maar verschilt van, de (niet-meetbare) oppervlaktepotentiaal (χ), zoals in meer detail beschreven in de literatuur^13,14, inclusief nuttige diagrammen en nauwkeurige definities van correcte elektrochemische terminologie²³. Recente ontwikkelingen in de toepassing van KPFM op corrosiestudies hebben de kwaliteit en herhaalbaarheid van verkregen gegevens aanzienlijk verhoogd door zorgvuldige overweging van de invloed van monstervoorbereiding, meetparameters, sondetype en externe omgeving 24,25,26,27.

Een nadeel van KPFM is dat, hoewel het een nanoschaalresolutiekaart van het oppervlak VPD genereert, het geen directe informatie over de samenstelling biedt, en dus moet de correlatie van variaties in VPD met verschillen in elementaire samenstelling worden geleverd door co-lokalisatie met complementaire karakteriseringstechnieken. Door KPFM te co-lokaliseren met SEM, energiedispersieve spectroscopie (EDS), elektronenbackscattered diffractie (EBSD) en/of Raman-spectroscopie, kan dergelijke compositorische en/of structurele informatie worden bepaald. Het co-lokaliseren van nanoschaaltechnieken kan echter moeilijk zijn vanwege de extreme vergroting van de beeldvorming, verschillen in gezichtsveld en resolutie en monsterinteracties tijdens karakterisering²⁸. Het verkrijgen van nano- tot microschaalbeelden van hetzelfde gebied van een monster op verschillende instrumenten vereist hoge precisie en zorgvuldige planning om technieken te co-lokaliseren en artefacten te minimaliseren als gevolg van mogelijke kruisbesmetting tijdens sequentiële karakterisering^18,28.

Het doel van dit artikel is om een systematische methode te definiëren voor het co-lokaliseren van KPFM- en SEM-beeldvorming, waarvan de laatste kan worden vervangen door andere karakteriseringstechnieken zoals EDS, EBSD of Raman-spectroscopie. Het is noodzakelijk om de juiste volgorde van karakteriseringsstappen, de milieueffecten op KPFM-resolutie en gemeten VPD's, KPFM-sondekalibratie en verschillende strategieën te begrijpen die kunnen worden gebruikt om SEM of andere geavanceerde microscopie- en spectroscopietechnieken met succes te co-lokaliseren met KPFM. Dienovereenkomstig wordt een stapsgewijze gegeneraliseerde procedure voor het co-lokaliseren van SEM met KPFM geboden, gevolgd door voorbeeldige werken van dergelijke colokalisatie, samen met nuttige tips en trucs om zinvolle resultaten te verkrijgen. Meer in het algemeen zou de hier beschreven procedure moeten dienen om een breed toepasbaar proces te schetsen voor het co-lokaliseren van afbeeldingen / eigendomskaarten verkregen uit andere microscopiemodaliteiten met KPFM en andere AFM-modi om nuttige structuur-eigendomsrelaties te verkrijgen in een verscheidenheid aan materiaalsystemen 6,7,29,30,31,32.

Protocol

1. Voorbeeld monstervoorbereiding voor co-gelokaliseerde beeldvorming van een metaallegering

1. Bereid monsters voor die klein genoeg zijn om te voldoen aan de dimensionale vereisten van de AFM en andere karakteriseringsinstrumenten die moeten worden gebruikt (bijvoorbeeld, in het geval van de AFM die hier wordt gebruikt, zie de tabel met materialen, zorg ervoor dat de monsters een hoogte hebben < 18 mm om onder de AFM-kop te passen), glad genoeg aan de onderkant om af te dichten tegen het monsterkopvacuüm van de AFM-fase, vertonen minimale oppervlakteruwheid zonder los vuil en zorgen voor een geleidend pad van de basis naar het bovenoppervlak.
   1. Snijd de monsters tot aanvaardbare afmetingen en integreer in hoogvacuümcompatibele epoxy (zie de tabel met materialen; een cilindrische mal met een diameter van ~ 25 mm is typisch).
2. Polijst de monsters tot oppervlakteruwheid op nanometerschaal.
   OPMERKING: Er wordt een representatieve polijstmethode verstrekt; zie referenties hierin voor alternatieve polijstmethoden die worden gebruikt voor specifieke materialen of monsters. De onderstaande voorbeeldpolijstmethode maakt gebruik van handpolijsten met behulp van een polijstwiel.
   1. Begin met grovere grutten en werk geleidelijk aan naar fijnere gruis siliciumcarbide schuurschijven.
      1. Werk van grof tot fijn gruis (bijv. ANSI Standard 120 grit tot 1200 grit) siliciumcarbide schuurschijven, waarbij 5 minuten op elk gritniveau wordt doorgebracht. Controleer het monster tussen elk gritniveau onder een optische microscoop om minimale tot geen krassen visueel te bevestigen.
         OPMERKING: ANSI Standard 120 grit en 1200 grit abrasive papers komen overeen met Europese P-Grade P120 en P4000, respectievelijk.
   2. Handpoets gedurende 10 minuten met behulp van een niet-waterige diamantsuspensie van 1 μm, gevolgd door een diamantsuspensie van 0,05 μm.
   3. Poets het monster met behulp van een trilpolijstmachine gedurende 24 uur met 0,05 μm of 0,08 μm waterige colloïdale silicalak.
      OPMERKING: Het gebruik van een vibrerende polijstmachine zorgt voor een fijnere afwerking dan met de hand polijsten en zal resulteren in KPFM-afbeeldingen van hogere kwaliteit.
   4. Als het onderzochte materiaal geen snelle oxidatie ondergaat, spoel het monster dan met gedeïoniseerd water (of een ander geschikt, minder oxiderend oplosmiddel zoals een watervrije alcohol) voordat u het in een bekerglas soniceert met een geschikt oplosmiddel (bijv. ethanol, afhankelijk van de gebruikte epoxy- en polijstverbindingen, evenals de samenstelling van de legering) om eventuele resterende polijstverbindingen of materiaalresten te verwijderen.
   5. Verwijder het monster uit de sonicator, spoel af met oplosmiddel en droog met perslucht of ultrahoge zuiverheid (UHP, 99,999%) gecomprimeerd stikstofgas.
   6. Gebruik optische microscopie om te bepalen of de polish voldoende is. Zorg ervoor dat het monster vrijwel geen zichtbare krassen op het oppervlak heeft (idealiter spiegelachtig).
3. Implementeer de gewenste colokalisatiemethode om een oorsprong en assen te maken (d.w.z. monsterlocatie / registratie en oriëntatie / rotatie).
   OPMERKING: Mogelijke colokalisatiemethoden zijn een nanoindent array, krasfiducial, onuitwisbare inktpunt of een ander kenmerk dat gemakkelijk herkenbaar is in de optische systemen van de microscopen die moeten worden geco-gelokaliseerd. Zie figuur 1 voor een voorbeeld van gemakkelijk herkenbare optische kenmerken die zichtbaar zijn na het polijsten.
   1. Voer nano-indentie uit voor of na het polijsten met behulp van een commercieel geïnstrumenteerde nano-indenter om herkenbare fiduciale markers te produceren (figuur 2).
   2. U kunt ook inktpunten of krassen maken (bijvoorbeeld met een micromanipulatorsonde, scheermesje of diamantschrijver) na het polijsten. Als er later corrosietests op het monster moeten worden uitgevoerd, vermijd deze methoden dan.

Figuur 1: Co-gelokaliseerde optische microscoop en KPFM-beelden. (A) Optische microscoop en (B) ingezoomde KPFM-afbeelding van het ingepakte gebied in A van een Cu-Ag-Ti (CuSil) soldeer met duidelijk bewijs van koperrijke en zilverrijke fasegescheiden domeinen binnen de soldeerlegering, duidelijk genoeg om te worden geïdentificeerd door oog³⁰. Schaalstaven: (A) 25 μm, (B) 7 μm. Afkorting: KPFM = Kelvin probe force microscopy. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Nano-condensatiefiducials voor colokalisatie van KPFM en elektronenmicroscopie. Creatie van een asymmetrisch patroon van drie fiduciale tekens (gelabeld 1-3 en aangegeven door twee cirkels voor de XY-assen en een driehoek voor de oorsprong) door een nano-indenter uitgerust met een diamant Berkovich-sonde maakte analyse van hetzelfde interessegebied mogelijk met behulp van meerdere karakteriseringstechnieken: (A) SE SEM-beeldvorming, (B) BSE SEM-beeldvorming, en EBSD-metingen van (C) α-Ti en (D) β-Ti. Het gebied dat wordt aangegeven door het gekantelde, gestippelde vierkant in panelen A-D werd vervolgens gekarakteriseerd met AFM / KPFM om (E) hoogte en (F) Volta potentiële beelden te produceren. De kleine ononderbroken en onderbroken rechthoeken in A-D vertegenwoordigen gebieden met KPFM-scans met een hogere resolutie die in meer detail zijn geanalyseerd (zie figuur 9). Deze figuur is overgenomen uit Benzing et ^al.32. Schaalstaven = 20 μm. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SE = secundair elektron; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; EBSD = elektronenbackscattered diffractie; AFM = atoomkrachtmicroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. KPFM beeldvorming

1. Schakel de AFM in en open de bijbehorende besturingssoftware (specifiek voor de AFM, zie de Materiaaltabel en KPFM standaard operationele procedure (SOP) opgenomen in de Aanvullende Materialen). Selecteer in het venster Experiment selecteren dat wordt geopend de juiste experimentcategorie, experimentgroep en experiment (elektrisch, magnetisch, magnetisch en magnetische liftmodi en peakforce KPFM in dit geval; zie afbeelding 1 in SOP voor aanvullende materialen ) en klik vervolgens op Belastingsexperiment om de gewenste workflow te openen. Zodra de experimentworkflow is geopend, klikt u op Instellen in de workflow.
2. Monteer en bevestig een geleidende AFM-sonde op de juiste sondehouder (zie de tabel met materialen), installeer de sondehouder op de AFM-kop en lijn de laser uit op de achterkant van de sonde cantilever en in de positiegevoelige detector (PSD). (Zie SOP in Aanvullende materialen voor meer details en afbeeldingen van de procedures voor het laden van de sonde en de laseruitlijning).
   OPMERKING: Zorg ervoor dat de gekozen sondehouder een continu elektrisch pad van de sonde naar de AFM biedt voor biasing.
   1. Laad de sonde voorzichtig op de sondehouder. Verwijder de AFM-kop. Installeer de sonde en sondehouder door de gaten op de sondehouder uit te lijnen met de contactpennen op de kop. Plaats het hoofd opnieuw op de AFM en zet het hoofd op zijn plaats.
      OPMERKING: Elektrostatische ontlading (ESD) kan gemakkelijk de geleidende metalen coating op veel KPFM-sondes en gevoelige AFM-elektronica beschadigen, dus overweeg afhankelijk van de omgevingsomstandigheden (bijv. Vochtigheid) tegenmaatregelen zoals het dragen van anti-ESD-handschoenen en / of het gebruik van een aardende polsband of mat.
   2. Controleer in het menu Probe Setup of het gebruikte probetype wordt weergegeven. Klik indien nodig op Probe selecteren en kies het juiste testtype in het vervolgkeuzemenu en klik vervolgens op Return en Save Changes.
   3. Breng in het menu Focustip het uiteinde van de cantilever scherp met de pijlen omhoog/omlaag van Focus Controls . Pas de focussnelheid, optische zoom en videoverlichting indien nodig aan. Zodra het uiteinde van de cantilever scherp is, lijnt u het vizier uit over de tiplocatie door op de optische afbeelding te klikken op de locatie die overeenkomt met de positie van de tip onder de cantilever op basis van de bekende terugval van de tip vanaf het distale uiteinde van de cantilever.
      OPMERKING: De tip-tegenvaller wordt meestal gespecificeerd door /beschikbaar bij de fabrikant van de sonde.
   4. Gebruik de laseruitlijningsknoppen op de AFM-kop om de laser uit te lijnen op het midden van de achterkant van de sonde cantilever naar het distale uiteinde (d.w.z. naar de punt / weg van het sondesubstraat) en centreer de gereflecteerde straal op de PSD om de somspanning te maximaliseren terwijl de verticale en horizontale doorbuigingen worden geminimaliseerd.
3. Laad het monster op de klauwplaat en schakel de Klauwplaatvacuüm in met de aan/uit-hendelschakelaar . Breng een dunne lijn geleidende zilverpasta aan (zie de tabel met materialen) om een continu elektrisch pad van het monster naar de klauwplaat te bieden. Zodra de zilverpasta is opgedroogd, controleert u of het bovenste oppervlak van het monster een goede continuïteit heeft met de monsterhouder / -fase met behulp van een multimeter. (Zie SOP in Aanvullende materialen voor meer informatie.)
   OPMERKING: Als de elektrische verbinding tussen het monster en de fase/klauwplaat niet goed is, zullen de potentiële kanaalgegevens die tijdens KPFM-beeldvorming worden verkregen, luidruchtig en/of onjuist zijn.
4. Selecteer de Navigeren in de workflow van de AFM-besturingssoftware en verplaats de sonde over het monster met behulp van de fasebeweging XY-besturing Pijlen. Breng het monsteroppervlak in beeld met behulp van de Scankop pijlen omhoog/omlaag en gebruik vervolgens de beweging van het werkgebied XY-besturing pijlen opnieuw om de aangewezen oorsprong te lokaliseren en naar de regio van belang (ROI) te gaan. (Zie Figuur 8 en Figuur 9 In het Aanvullende materialen SOP).
   1. Benader het oppervlak voorzichtig (pas de bewegingssnelheid van de scankop indien nodig aan) en breng het oppervlak in beeld. Zorg ervoor dat de sonde niet in het monsteroppervlak crasht, omdat dit kan leiden tot schade aan de sonde of het monster.
      OPMERKING: De AFM-besturingssoftware die hier wordt gebruikt, biedt twee scherpstelopties: Voorbeeld (standaard) en Tipreflectie. De eerste maakt gebruik van een brandpuntsafstand van 1 mm, zodat de AFM-cantilever ~ 1 mm boven het oppervlak ligt wanneer het oppervlak scherp in de optische weergave verschijnt. De laatste maakt gebruik van een brandpuntsafstand van 2 mm, zodat het oppervlak in focus verschijnt wanneer de AFM-cantilever ~ 2 mm boven het oppervlak is, terwijl de tipreflectie in focus verschijnt wanneer de cantilever ~ 1 mm boven het oppervlak is (uitgaande van een zeer gepolijst, reflecterend monsteroppervlak). Een voorgestelde methode om het oppervlak te benaderen is dus om te beginnen in de tipreflectiemodus en op volle snelheid (100%) te naderen totdat het monsteroppervlak in beeld komt, vervolgens over te schakelen naar monster (standaard) en met gemiddelde snelheid (20%) te naderen om van 2 mm naar 1 mm boven het oppervlak te gaan.
   2. Gebruik de podiumbeweging XY Control om een gemakkelijk identificeerbaar/onderscheidend kenmerk direct onder de sondepunt te plaatsen (aangegeven door het vizier in het optische kijkvenster voor de AFM en de hier gebruikte software). Zodra u de functie hebt gebruikt, corrigeert u voor de parallax die wordt geïnduceerd door de aan de zijkant gemonteerde cameraoptiek door op Kalibreren in de werkbalk te klikken en vervolgens Optiek / SPM-ascolineariteit te selecteren. Doorloop de stappen voor co-lineariteitskalibratie door op Volgende te klikken. Lijn het vizier uit over hetzelfde onderscheidende kenmerk in elk van de gepresenteerde optische afbeeldingen voordat u op Voltooien klikt en klik vervolgens op Navigeren in de softwareworkflow om door te gaan.
   3. Lokaliseer de aangewezen oorsprong (op basis van de gekozen/gebruikte colokalisatiemethode) en lijn de X- en Y-coördinatenassen (d.w.z. monsteroriëntatie en rotatie) dienovereenkomstig uit, waarbij de sondepunt over de oorsprong wordt gecentreerd. Om herhaalbare navigatie naar de gewenste ROI en co-lokalisatie met andere karakteriseringstechnieken/instrumenten mogelijk te maken, noteert u de X- en Y-positiewaarden (in μm) die onder aan het softwarevenster worden weergegeven. Zodra u de aangewezen oorsprong hebt overschreden, registreert u de XY-positie, gaat u naar het gewenste gebied (ROI) en registreert u de nieuwe XY-positie. Bereken het verschil tussen deze twee locaties om de afstand te bepalen om in de X- en Y-richting te bewegen bij het co-lokaliseren van KPFM met andere microscopie- en spectroscopietechnieken.
      OPMERKING: Er zijn meerdere manieren om de locatie van de ROI ten opzichte van de oorsprong te bepalen en te definiëren, zoals in meer detail beschreven in de onderstaande substappen.
      1. Klik op Werkgebied op de werkbalk en selecteer Verplaatsen naar. Noteer de oorspronkelijke XY-positie en voer vervolgens absoluut (standaard) of relatief (door het selectievakje Relatieve beweging in te schakelen) X en Y verplaatsen waarden op basis van de gewenste afstand tot de oorsprong voor de ROI (of navigeer naar de ROI met behulp van de bewegingsregelaars van de fase en noteer de nieuwe XY-positie).
      2. Als alternatief is de meest intuïtieve en dus voorkeursmethode om op Werkgebied in de werkbalk te klikken en Verwijzingen instellen te selecteren. Klik boven de aangegeven oorsprong op Markeringspunt als oorsprong onder Oorsprong definiëren om de X- en Y-locatiewaarden op nul te zetten. Verplaats vervolgens de test naar de gewenste ROI en noteer de afstand van de oorsprong tot de ROI die wordt weergegeven als de X- en Y-waarden onder aan het scherm.
5. Sluit en vergrendel de akoestische kap die de AFM omsluit.
   OPMERKING: De bovenstaande methode gaat uit van een standaard ambient environment AFM-systeem, maar KPFM kan ook worden uitgevoerd in een dashboardkastje met inerte atmosfeer. Hoewel het uitdagender is, kan het gebruik van een AFM in een dashboardkastje zeer gunstig zijn vanwege de verminderde hoeveelheden oppervlaktewater, omdat het lagere hefhoogten (en dus een hogere ruimtelijke resolutie) en meer reproduceerbare VPD-metingen mogelijk maakt ten opzichte van de variabele vochtigheid die wordt ervaren in omgevingsomstandigheden, evenals het voorkomen van passieve oxidelaagvorming of corrosie op het monster na het polijsten (figuur 3 ). Bij het uitvoeren van KPFM-experimenten onder omgevingsomstandigheden is het raadzaam om (indien mogelijk) de temperatuur en relatieve vochtigheid zorgvuldig te controleren en te controleren. Zie de discussie voor meer details.
6. Selecteer het workflowvenster Parameters controleren en zorg ervoor dat de standaardparameters voor initiële afbeelding acceptabel zijn. Ga naar de Microscoop-instellingen in de werkbalk, selecteer Engage-instellingen en zorg ervoor dat de standaard Engage-parameters acceptabel zijn, en wijzig ze indien gewenst. (Zie SOP in Aanvullende materialen voor meer informatie). Klik op de knop Deelnemen in de workflow om deel te nemen aan het oppervlak. Bewaak het betrokkenheidsproces om ervoor te zorgen dat de tip correct wordt ingeschakeld.
   OPMERKING: Wanneer u op Engage klikt, verandert de tipbeveiligingsmelding onder aan het softwarescherm in Motor: ZZ. Z μm waar ZZ. Z is de afstand die de stappenmotor naar het monsteroppervlak heeft verplaatst. De sonde moet het oppervlak inschakelen op ongeveer de SPM-veiligheidsinstelling die is gekozen in de Instellingen voor inschakelen (standaardwaarde is 100 μm). Als u een sonde met een bijzonder lange punt (d.w.z. een grote tiphoogte) gebruikt, kan het nodig zijn om de SPM-veiligheid te verhogen om te voorkomen dat de sonde crasht tijdens het eerste snelle afdalingsgedeelte van het inschakelproces (d.w.z. de SPM-veiligheid moet groter zijn dan de hoogte van de sondepunt, gedefinieerd als de afstand van de cantilever tot het einde van de tip, plus de onzekerheid in de oppervlaktefocusafstand).
7. Eenmaal ingeschakeld, schakelt u het weergavetype van de krachtcurve over van Force vs Time naar Force vs Z door met de rechtermuisknop op de curve te klikken en Displaytype schakelen te selecteren. Optimaliseer de AFM-topografie en KPFM-parameters in het venster Parameters van de scaninterface (zie de discussie en KPFM SOP in de aanvullende materialen). Nadat u een geschikt mappad en bestandsnaam hebt gedefinieerd onder Capture > Capture Filename, klikt u op het pictogram Vastleggen om de opname van de gewenste volgende volledige afbeelding in te stellen en klikt u vervolgens op Intrekken in de workflow zodra de afbeelding is vastgelegd (of klikt u op Vastleggen > Vastleggen intrekken om het proces te automatiseren).

Figuur 3: Effect van inerte versus omgevingsatmosfeer op KPFM Volta potentiaalmetingen. KPFM-beelden van hetzelfde gebied van een binaire MgLa-legering verkregen in (A) droge N₂ en (B) omgevingslucht op hetzelfde merk en model AFM met hetzelfde type sonde en beeldvormingsmodaliteit. In beide gevallen werd het monster twee keer in beeld gebracht met een nachtelijke incubatie tussen de beelden. De beelden in de lucht zijn 1 dag na de beelden in N₂ verkregen. De resultaten tonen aan dat het KPFM-contrast met de tijd afnam bij blootstelling aan omgevingslucht als een dunne passiverende oxidelaag gevormd op het legeringsoppervlak. Met behulp van het inerte atmosfeer (droge N₂) dashboardkastje AFM-systeem kon ook het gebruik van lagere hefhoogten worden gebruikt, wat een hogere laterale ruimtelijke resolutie kan opleveren. Schaalstaven = 10 μm. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; AFM = atoomkrachtmicroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. SEM, EDS en EBSD imaging

OPMERKING: Het is het beste om een elektronenmicroscopie of spectroscopiekarakterisering na KPFM uit te voeren, omdat de elektronenbundel een ongewenste koolstofcoating op het monster kan afzetten (d.w.z. elektronenbundelafzetting); deze verontreinigingslaag zal van invloed zijn op de VPD gemeten via KPFM (zie bijvoorbeeld figuur 2 in Hurley et al. ¹⁸ of figuur 1 in Mallinson en Watts²⁸). Dunne lagen koolstofverontreiniging kunnen zich zelfs in zeer hoge vacuümomstandigheden afzetten en hebben invloed op oppervlaktepotentieelmetingen.

1. Zorg ervoor dat het monster het opladen remt. Als het monster onvoldoende geleidend is (niet typisch het geval voor metaallegeringen), overweeg dan koolstofcoating voorafgaand aan beeldvorming. Plaats het monster in de SEM-kamer. Sluit en pomp de kamer naar beneden (evacueer); schakel de elektronenbundel in met de beam on-knop . Zoom optisch uit met behulp van de vergrotingsknop om het maximale gezichtsveld (FOV) van het monsteroppervlak te verkrijgen.
2. Zoek de aangewezen oorsprong (bijvoorbeeld nanoindentatie, kras, onuitwisbare inktpunt, optische functie) en zoom vervolgens in met de vergrotingsknop . Oriënteer de X- en Y-as volgens de fiduciale markers (d.w.z. pas de sampleoriëntatie/rotatie aan) door waarden in te voeren in de rotatie- en kantelopties. Zoom indien nodig in en leg de gewenste beelden vast (bijv. Secundaire elektronen [SE], BSE en EDS-kaarten) van de aangewezen ROI en sla de bestanden op.
   OPMERKING: Aangezien SEM een bredere FOV biedt dan AFM, is het vaak gunstig om een SEM-afbeelding met een groot gebied te verkrijgen om te garanderen dat het hele gebied samen met KPFM wordt gelokaliseerd (zie de discussie).

4. KPFM, SEM, EDS en EBSD image overlay en analyse

1. Gebruik geschikte software voor elk karakteriseringsgereedschap (zie Tabel met materialen) om de onbewerkte gegevens indien nodig te verwerken. Sla de verkregen KPFM- en SEM-afbeeldingen op en exporteer ze in de gewenste bestandsindeling(en) (bijv. *.spm, *.txt, *.jpg, *.tif, enz.) voor de te gebruiken beeldoverlaysoftware.
   1. KPFM-gegevens op de juiste manier verwerken om afbeeldingen van hoge kwaliteit te garanderen (zie de materiaaltabel).
      OPMERKING: Afhankelijk van de specifieke AFM-hardware- en softwareconfiguratie die wordt gebruikt, is het mogelijk dat de betekenis (d.w.z. teken en relatieve volgorde) van de gemeten VPD's kan worden omgekeerd en moet worden omgekeerd. Het is gebruikelijk om de VPD te rapporteren als de Volta-potentiaal van het monster minus die van de sondepunt, met edelere / minder gemakkelijk geoxideerde oppervlakken die worden aangegeven door een grotere, positievere Volta-potentiaal, net zoals hun werkfunctie meestal zou worden gerapporteerd als een grote, positieve waarde, wat de relatieve moeilijkheid aangeeft om een elektron van het oppervlak te verwijderen.
      1. Nadat u het KPFM-gegevensbestand hebt geopend, past u een eerste orde Plane Fit toe op het AFM-topografiekanaal (Hoogtesensor) van de KPFM-afbeeldingen om de monsterpunt en kanteling te verwijderen, evenals een eerste orde Flatten indien nodig om te compenseren voor eventuele lijn-tot-lijn offsets als gevolg van sondeslijtage of het oppikken van vuil op de sondepunt.
         OPMERKING: Als absolute Volta-potentiaalmetingen gewenst zijn (zie de discussie) of als meerdere afbeeldingen met KPFM VPD's gemeten met dezelfde sonde moeten worden vergeleken, verwerk dan niet het KPFM Volta-potentiaalkanaal (d.w.z. gebruik de onbewerkte, als verkregen gegevens). Als gebruikers in plaats daarvan alleen geïnteresseerd zijn in de relatieve VPD's van microstructuren intern in (d.w.z. volledig binnen) het afgebeelde voorbeeldgebied, is het toegestaan om plane fit en flatten het KPFM Potential-kanaal ook om de beeldkwaliteit te verbeteren.
      2. Selecteer het gewenste kleurenschema/verloop voor de KPFM-afbeeldingen door eerst de miniatuur van het potentiële kanaal aan de linkerkant van de AFM-topografieafbeelding te selecteren en vervolgens te dubbelklikken op de kleurenschaalbalk aan de rechterkant van de KPFM VPD-kaart om het venster Afbeeldingskleurschaal aanpassen te openen naar het tabblad Kleurtabel kiezen .
      3. Voer een geschikt schaalbalkbereik in (d.w.z. minimum- en maximumwaarde) voor de KPFM VPD-afbeelding op het tabblad Gegevensschaal wijzigen van het venster Afbeeldingskleurschaal aanpassen en klik vervolgens op (d.w.z. minimum- en maximumwaarde). Herhaal dit proces voor de AFM-topografieafbeelding nadat u eerst de miniatuurafbeelding van het kanaal van de hoogtesensor hebt (opnieuw) geselecteerd. Bewaar Journal Quality Exports van de verwerkte AFM-topografieafbeelding en KPFM VPD-kaart als afbeeldingsbestanden (bijv. * .jpg, * .tif, enz.).
2. Open de bewerkte AFM-topografieafbeelding en de KPFM VPD-kaart, samen met de onbewerkte SEM-afbeelding, in de beeldmanipulatiesoftware van uw keuze (zie Materiaaltabel). Identificeer de gespecificeerde oorsprong in zowel de AFM/KPFM-gegevens als de SEM-afbeelding(en) (bijv. SE, BSE, EDS, EBSD, enz.). Leg de oorsprong in de twee afbeeldingen en lijn de afbeeldingen vervolgens rotatief uit met behulp van de X- en Y-coördinaatassen die worden aangeduid met de gekozen fiduciële tekens of karakteristieke kenmerken. Schaal de afbeeldingen naar behoefte.
   OPMERKING: De topografiefuncties in AFM- en SEM-afbeeldingen moeten op elkaar aansluiten en kunnen overeenkomen met KPFM- en compositie-informatie (bijv. BSE-afbeelding of EDS-kaarten) als gevolg van differentiële polijstsnelheden en VPD's voor verschillende samenstellingen. Bij het overlayen en uitlijnen van afbeeldingen is het vaak handig om de transparantie van de bovenste (overlay) afbeelding te vergroten.

Representative Results

Binaire Mg legering: KPFM en SEM
Vanwege hun superieure sterkte-gewichtsverhoudingen zijn magnesium (Mg) legeringen van belang voor gebruik in draagbare elektronica en als structurele componenten in transporttoepassingen zoals fietsen, auto's en vliegtuigen. Bovendien worden Mg-legeringen gebruikt voor kathodische bescherming en als anoden in batterijsystemen 33,34,35. Pure Mg is niet in staat om een passieve, beschermende oxidefilm te vormen omdat het te dun is (de Pilling-Bedworth-verhouding van MgO is 0,81), wat resulteert in een zeer actief metaal wanneer het wordt gelegeerd met de meeste andere geleidende materialen (reductiepotentieel van -2,372 V ten opzichte van de standaard waterstofelektrode) ⁹. Een primaire drijvende kracht van magnesiumlegeringscorrosie is kathodische activering, waarbij de kathodische reactie wordt versterkt door anodische oplossing²⁹. Een manier om dit proces te belemmeren is door microlegering met toevoegingen van metalen die de kathodische waterstofevolutiereactie vertragen. Een studie uit 2016 onderzocht de opname van germanium (Ge) als een microlegeringselement om een binaire Mg-legering²⁹ te produceren. KPFM gaf de aanwezigheid aan van regio's met verschillende Volta-potentialen en kwantificeerde de overeenkomstige VPD's; dit resultaat alleen kon echter geen onderscheid maken tussen de elementaire samenstelling van deze regio's. Door KPFM te co-lokaliseren met BSE SEM (dat elementair contrast biedt op basis van atoomnummer), zoals blijkt uit de over elkaar gelegde afbeeldingen in figuur 4, werden de relatieve nobiliteiten (d.w.z. plaatsen van waarschijnlijk anodisch / kathodisch gedrag) van de matrix en mg₂Ge secundaire fase nauwkeurig geïdentificeerd. Tijdens actieve corrosie werd de secundaire fase van Mg₂Ge waargenomen als een voorkeursplaats voor reductie, die op zijn beurt het corrosiemechanisme verschoof van wijdverspreide, filiform-achtige corrosie op Mg naar verminderde aanval op minimale locaties wanneer Ge werd opgenomen, waardoor de corrosieprestaties van het materiaal werden verbeterd.

Cu-Ag-Ti ternaire soldeerlegering: KPFM en SEM/EDS
Solderen is een alternatief voor lagere temperaturen voor andere gangbare metaalverbindingstechnieken zoals lassen³⁶. De prestaties en levensduur van de verbinding kunnen echter lijden als gevolg van fasescheiding en resulterende galvanische corrosie in de soldeer³⁷, zoals blijkt uit een vergelijkende studie naar het gebruik van Cu-Ag-Ti (CuSil) en Cu-Ag-In-Ti (InCuSil) soldeer om 316L roestvrijstalen coupons³⁰ te verbinden. Figuur 5 toont een representatief gebied van een Cu-Ag-Ti-soldeerverbinding, waar co-gelokaliseerde BSE SEM, EDS en KPFM bevestigden dat de zilverrijke fase kathodisch was voor (d.w.z. edeler dan) de koperrijke fase met ~ 60 mV, waarbij deze fasescheiding en VPD uiteindelijk leidden tot het initiëren van microgalvanische corrosie binnen de koperrijke gebieden van de soldeer. De omringende 316L roestvrijstalen coupons en titanium (Ti) interfaciale bevochtigingslaag³⁸ werden echter waargenomen als anodisch in Volta-potentieel voor beide naburige soldeerlegeringsfasen. De roestvrijstalen matrix zou dus in theorie reactiever zijn (d.w.z. gemakkelijker geoxideerd) dan de soldeer. In een galvanisch corrosiescenario is het ergste geval echter om een kleine anode in contact te hebben met een grote kathode, omdat het grotere kathodische oppervlak een snelle anodische oplossing zal veroorzaken. Omgekeerd, in dit scenario met anodische 316L roestvrijstalen coupons verbonden door een kathodische soldeerlegering, zou de combinatie van een grotere anode en een kleinere kathode moeten dienen om de snelheid van galvanische corrosie te vertragen.

Tweefasige ternaire Ti-legering + boor: KPFM en SEM/EDS
Gesmede titaniumlegering met 6 op. % aluminium en 4 bij. % vanadium (Ti-6Al-4V, of Ti64) is een aantrekkelijke structurele legering vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding en uitstekende corrosiebestendigheid 39,40,41. Ti64 wordt met name gebruikt in biomedische implantaten en apparaten vanwege de biocompatibiliteit 42,43,44. Omdat Ti64 echter stijver is dan bot, kan dit leiden tot botverslechtering en slechte hechting van implantaten wanneer het wordt gebruikt voor gewrichtsvervangingen. Toevoegingen van boor (B), dat een oplosbaarheidsgrens van ~0,02 heeft. % in Ti64 is onderzocht om de mechanische eigenschappen van Ti64 af te stemmen op die van bot³¹. Dergelijke boortoevoegingen kunnen echter leiden tot een verhoogde gevoeligheid van de legering voor corrosie, met name wanneer deze wordt blootgesteld aan langdurig contact met bloedplasma, zoals in het geval van biomedische implantaten zoals gewrichtsvervangingen. Figuur 6 toont co-gelokaliseerde KPFM-, BSE SEM- en EDS-kaarten van een Ti64 + 0,43% B-monster. De resulterende boorrijke TiB-naalden (figuur 6A en figuur 6D) die boven het verzadigingspunt voor boor verschijnen, kunnen worden onderscheiden van de omringende Al-rijke Ti64 alfa (α) matrix (figuur 6C) en onderling verbonden filamenteuze V-rijke Ti64 beta (β) fase, waarbij de TiB-naalden verschijnen op een iets hogere (d.w.z. edelere) Volta-potentiaal (helderder in figuur 6B) dan de β fase³¹. Figuur 7 illustreert het feit dat KPFM aanzienlijk oppervlaktegevoeliger is dan SEM vanwege verschillen in de penetratiediepte en het bemonsteringsvolume van de twee technieken. In het bijzonder resulteerde de vorming van enkele nanometers dik passiverend oxide op het legeringsoppervlak bij blootstelling aan een oplossing die menselijk plasma nabootst en de daaropvolgende potentiodynamische cyclus (ASTM F2129-15 standaardtestprotocol om de corrosiegevoeligheid van implantaatapparaten te bepalen) in het meten van een relatief uniform oppervlaktepotentieel (figuur 7B), ondanks het feit dat de ondergrondse microstructuur zichtbaar bleef in de BSE SEM-afbeelding (figuur 7A) en EDS-kaarten (figuur 7C) ). Daarentegen was het bij het onderwerpen van Ti64-monsters aan geforceerde corrosieomstandigheden (d.w.z. hoge zoutconcentratie en extreem anodisch potentieel) mogelijk om co-gelokaliseerde KPFM, BSE SEM en EDS te gebruiken om verschillen in corrosiegedrag te observeren voor lage (0,04% B) versus hoge (1,09% B) concentratie boor toegevoegde monsters (figuur 8).

3D geprinte ternaire Ti legering: KPFM en SEM/EBSD
Additieve productie (AM) van metalen en metaallegeringen heeft het potentieel om onderdelen goedkoper en sneller te produceren, met complexere vormen en controle over microstructuur en eigenschappen⁴⁵. Een van de toonaangevende materialen die in AM wordt gebruikt, is Ti64, zoals hierboven beschreven. Net als bij gewrongen Ti64 bevat AM Ti64 twee fasen, de thermodynamisch stabiele Al-rijke α fase en de metastabiele V-rijke β fase, waarbij elke fase een reeks kristallografische oriëntaties vertoont. Afhankelijk van welke fase- en kristallografische oriëntaties aan het oppervlak aanwezig zijn, worden de corrosie-eigenschappen van het geprinte onderdeel beïnvloed. Figuur 2 toont co-gelokaliseerde AFM/KPFM, SEM (zowel SE als BSE) en EBSD (zowel α als β fase) beelden van AM Ti64 geproduceerd via elektronenbundel smeltende poederbedfusie gevolgd door hete isostatische persing (HIP)³². De kristallografische oriëntatie van verschillende korrels zoals onthuld door EBSD werd samen met KPFM VPD's gelokaliseerd om te bepalen welke oriëntatie(s) waarschijnlijk de corrosie-eigenschappen van AM Ti64 zullen beïnvloeden, zodat bouwprocesparameters kunnen worden afgestemd om niet-ideale oriëntaties of fasen te verminderen. De topografie (figuur 2E) en VPD (figuur 2F) verkregen door KPFM overlappen het licht geroteerde grote vierkante gebied afgebakend door de gestippelde witte lijnen in de SEM (Figuur 2A,B) en EBSD (Figuur 2C,D) kaarten. Figuur 9 zoomt in op het gebied dat wordt geschetst door de ononderbroken witte rechthoeken in figuur 2A-D, en laat zien dat de gemeten VPD bij het overschrijden van een α-α korrelgrens afhankelijk is van de relatieve kristallografische oriëntaties van de twee korrels. Bovendien vertoonden α-β fasegrenzen een relatieve VPD gelijk aan of groter dan α-α grenzen van ongelijksoortige korreloriëntatie. Dit is belangrijk, omdat een hogere Volta potentiële gradiënt theoretisch zal resulteren in grotere intergranulaire corrosiesnelheden als gevolg van de verhoogde microgalvanische drijvende kracht, wat suggereert dat het aantal β korrels en hun contactpunten met α latten moet worden geminimaliseerd.

Cross-sectionele analyse van Zr-legeringen voor nucleaire bekleding: KPFM, SEM en Raman
Zirkonium (Zr) en zijn legeringen worden vaak gebruikt als bekleding in nucleaire toepassingen vanwege hun lage neutronenabsorptiedoorsnede en corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen. Vanwege een verscheidenheid aan potentiële afbraakmechanismen, waaronder het "breakaway-fenomeen", hydride-geïnduceerde verbrossing en verschillende interacties tussen pelletbekleding, kan de levensduur van zirkonium echter drastisch worden verkort, wat resulteert in het risico van falen van de kernreactor⁴⁶. Zo werden de afbraakmechanismen van zirkoniumlegeringen onderzocht door colokalisatie van KPFM, SEM en confocale scanning Raman-microscopie (die verschillen in kristalstructuur kan onthullen op basis van het Raman-spectrum) ⁴⁷. Hier werd een correlatie waargenomen tussen zirkoniumoxide kristalstructuur (monoklien versus tetragonaal) en relatieve Volta-potentiaal. In het bijzonder bleek het tetragonaalrijke zirkoniumoxide (t-ZrO₂) dat zich bij voorkeur in de buurt van de metaaloxide-interface bevindt (aangegeven door de verticale stippellijn in de rechterpanelen van figuur 10A-C en figuur 10E-G) significant actiever te zijn (d.w.z. meer kans om te oxideren / corroderen) in vergelijking met de ~ 600 mV meer edele bulk monoklinisch rijk zirkoniumoxide (m-ZrO₂ ). Dit is te zien aan de VPD en procentuele tetragonaliteitslijndoorsneden over de ZrO₂/Zr-interface in figuur 10A-C. Verder werd ontdekt dat het t-ZrO_2-gebied ook enigszins actief is ten opzichte van het metalen substraat (figuur 10A), wat resulteert in een p-n-junctiegebied als een nieuwe stap in de anders diffusiebeperkte oxidatie van zirkonium.

Verder bewijs van het nut van KPFM en co-lokalisatie met complementaire karakteriseringstechnieken wordt ook gezien in dit werk. Zelfs in nominaal "zuiver" Zr-metaal blijven sommige sporenijzeronzuiverheden aanwezig na verwerking, wat resulteert in ijzerrijke secundaire fasedeeltjes (Fe-rijke SPP's). Dit werd waargenomen via KPFM en scanning confocale Raman spectrale mapping, waarbij de grote toename van de relatieve Volta-potentiaal die overeenkomt met het heldere kathodische deeltje dat zichtbaar is in figuur 10E correleerde met een significante verandering in het Raman-spectrum (figuur 10F, G). Dit kathodische deeltje werd aanvankelijk verondersteld een Fe-rijk SPP te zijn, maar EDS was in dit geval niet in staat om de aanwezigheid van ijzer te bevestigen (figuur 10H). Voor de gegevens in figuur 10 werd echter eerst KPFM uitgevoerd, gevolgd door Raman-mapping en ten slotte SEM/EDS. Helaas is laserstraalschade (inclusief ablatie/verwijdering van SPP's) mogelijk tijdens Raman-mapping, afhankelijk van het incidentele laservermogen, waardoor de identificatie van SPM's via latere EDS mogelijk onmogelijk wordt. Het schadelijke effect van de incidentele Raman-excitatielaser werd hier bevestigd door Raman-mapping uit het sequentiële karakteriseringsproces te verwijderen, wat leidde tot succesvolle identificatie van Fe-rijke SPPs en hun overeenkomstige verhoogde VPD ten opzichte van de omringende Zr-matrix door co-gelokaliseerde KPFM en SEM / EDS (rode cirkels in figuur 11A, B ). Dit onderstreept het belang van de volgorde waarin een gebruiker co-gelokaliseerde karakteriseringstechnieken gebruikt, omdat sommige hulpmiddelen eerder destructief zijn of het oppervlak beïnvloeden. In het bijzonder, terwijl KPFM niet-destructief is, kan het uitvoeren van Raman- of SEM / EDS-analyse voorafgaand aan KPFM de resulterende Volta-potentiaalmetingen^{beïnvloeden 18,28}. Het wordt daarom ten zeerste aanbevolen om KPFM eerst uit te voeren bij co-lokalisatie met meer potentieel schadelijke oppervlaktegevoelige technieken.

Figuur 4: Colokalisatie van KPFM en BSE SEM. (A) Overlayd BSE SEM en KPFM beelden van een binaire Mg-0.3Ge legering, (B) zoom van overlayd KPFM Volta potentiaalkaart in A met de relatieve potentialen van de Mg₂Ge secundaire fase (helderder, edeler) en matrix (donkerder), en (C) lijn scangegevens voor de Volta potentiaal overeenkomend met het stippellijngebied in B het tonen van het ~400 mV verschil in potentiaal tussen de matrix en Mg₂Ge secundaire fase. Deze figuur is overgenomen uit Liu et ^al.29. Schaalstaven = (A) 10 μm, (B) 5 μm. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Co-lokalisatie van KPFM, BSE SEM en EDS. (A) BSE SEM-afbeelding van een Cu-Ag-Ti (CuSil) soldeermonster en (B) overeenkomstige co-gelokaliseerde KPFM-oppervlaktepotentiaalafbeelding. EDS elementaire kaarten van het identieke gebied van de ternaire legering voor (C) titanium (Ti) bevochtigingsadditief, (D) koper (Cu) en (E) zilver (Ag) worden ook getoond. Schaalstaven = 10 μm. Dit cijfer is overgenomen uit Kvryan et ^al.30. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; EDS = energiedispersieve spectroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Co-lokalisatie van KPFM, BSE SEM en EDS in een gemodificeerde legering. Co-gelokaliseerde (A) BSE SEM en (B) KPFM beelden van Ti-6Al-4V gelegeerd met 0,43% B die de vorming van boorrijke naalden laten zien, met overeenkomstige EDS-kaarten van (C) aluminium (Al) en (D) boor (B). Het rode vak in de SEM-afbeelding geeft de locatie van de KPFM-scan aan. Schaalstaven = (A,C,D) 40 μm, (B) 20 μm. Dit cijfer is aangepast van Davis et ^al.31. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; EDS = energiedispersieve spectroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7: Oppervlaktepassivering en differentiële beelddiepte van KPFM versus BSE SEM en EDS. Co-gelokaliseerde (A) BSE SEM en (B) KPFM beelden van een Ti-6Al-4V + 1,09% B monster onderworpen aan het ASTM F2129-15 testprotocol. De vorming van een dunne passiveerlaag resulteerde in een meer uniform oppervlaktepotentieel zoals gemeten door KPFM in vergelijking met monsters die niet onderworpen waren aan het ASTM F2129-15 testprotocol (zie figuur 6). Co-located (A) BSE SEM en (C) EDS kaarten (aluminium, Al; vanadium, V; boor, B) bevestigden de fasesamenstelling van de microstructuur onder de passieve film en het ontbreken van duidelijke corrosie-aanval. Het rode vak in de SEM-afbeelding geeft de geschatte locatie van de bijbehorende KPFM-scan aan. Schaalstaven = (A) 40 μm, (C–E) 25 mm, (B) 20 μm. Deze figuur is overgenomen uit Davis et ^al.31. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; EDS = energiedispersieve spectroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8: Bewijs van preferentiële corrosie. (A,B) AFM topografie en (C,D) BSE SEM beelden van (A,C,E) 0,04% B en (B,D,F) 1,09% B Ti-6Al-4V monsters met overeenkomstige (E) aluminium (Al) en zuurstof (O) en (F) boor (B) en zuurstof (O) EDS kaarten. Rode vakken op de (C,D) SEM-afbeeldingen geven de geschatte locatie van (A,B) de bijbehorende AFM-beelden aan. (A,B) Putjes zichtbaar in de AFM-topografiebeelden laten zien dat corrosie bij voorkeur optrad binnen de vanadiumrijke metastabiele β fase ondanks het hogere Volta-potentieel. (B,D,F) Merk ook op dat het monster met een hoger boorgehalte aanzienlijk minder (en ondiepere) putjes vertoonde. Schaalstaven = (A,B) 20 μm, (E–H) 25 mm, (C,D) 40 μm. Deze figuur is overgenomen uit Davis et ^al.31. Afkortingen: AFM = atomic force microscopy; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; EDS = energiedispersieve spectroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9: Co-lokalisatie van KPFM, BSE SEM en EBSD. Gedetailleerde SEM- en KPFM-analyse van het gebied dat wordt aangeduid door de ononderbroken rechthoek in figuur 2. Techniek voor het karakteriseren van α latten door co-lokalisering: (A) BSE-beeldvorming, (B) AFM-hoogtesensor (topografie), (C) EBSD (witte lijnen geven α-β fasegrenzen aan, zwarte lijnen duiden gedefinieerde korrelgrenzen aan) en (D) KPFM Volta-potentiaal. De resultaten van lijnscans over hyperkaarten aangegeven door de witte pijlen in A-D worden getoond voor (E) EBSD en (F) KPFM Volta potential. (G) Samenvattingen van relatieve verschillen in Volta-potentiaal worden weergegeven voor drie soorten metingen: i) binnen een enkele α latten, ii) over α-α grenzen van vergelijkbare korreloriëntatie en iii) over α-α grenzen van verschillende korreloriëntatie. (H) Bereiken van Volta-potentiaal voor verschillende oriëntaties van vooraan β (één standaarddeviatie weergegeven). Schaalstaven = (A–D) 5 μm. Deze figuur is overgenomen uit Benzing et ^al.32. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; AFM = atoomkrachtmicroscopie; EBSD = elektronenbackscattered diffractie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 10: Co-lokalisatie van KPFM, Raman microscopie, BSE SEM en EDS. Co-lokalisatie van KPFM, Raman-microscopie en SEM/EDS voor geoxideerde en doorsnede (A-D) Zr-2.65Nb legering en (E-H) zuivere Zr. Van boven naar beneden: (A,E) KPFM Volta potentiaalkaarten (links) met overeenkomstige representatieve VPD-lijnscans (rechts), (B,F) procent tetragonaliteit en (C,G) monoklinische ZrO2 piekpositiekaarten (indicatief voor drukspanning) bepaald via Raman-mapping met overeenkomstige representatieve lijnscans, en (D,H) SEM-beelden met overeenkomstige EDS-kaarten en representatieve lijnscans. In alle gevallen worden de locaties van lijnscans aangegeven met witte pijlen in de bijbehorende voorbeeldafbeeldingen. Schaalstaven = (A) 10 μm, (D) 50 μm, (E) 6 μm, (H) 20 μm. Dit cijfer is overgenomen uit Efaw et ^al.47. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; EDS = energiedispersieve spectroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 11: Co-lokalisatie van KPFM, BSE SEM en EDS zonder Raman-microscopie. Colokalisatie van (A) KPFM-hoogte (boven) en Volta-potentiaal (onder) kaarten met (B) SEM (boven) en EDS elementaire analyse (onder) op een dwarsdoorsnede monster van geoxideerde zuivere Zr (pre-breakaway). Het gebied waar KPFM werd uitgevoerd, wordt aangegeven door de onderbroken lijn oranje rechthoek in de SEM-afbeelding rechtsboven, terwijl de rode cirkels in de KPFM Volta-potentiaal- en EDS Fe-abundantiekaarten de correlatie aangeven tussen hoge VPD-gebieden en Fe-rijke deeltjes. Schaalstaven = (A) 8 μm, (B) 25 μm. Deze figuur is gereproduceerd uit Efaw et ^al.47. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; SEM = scanning elektronenmicroscopie; BSE = terug verstrooid elektron; EDS = energiedispersieve spectroscopie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullend materiaal: Standaard operationele procedure voor Kelvin-sondekrachtmicroscopie. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Aangezien KPFM oppervlaktetopografie en VPD's met nanoschaalresolutie meet, is monstervoorbereiding cruciaal voor het verkrijgen van hoogwaardige KPFM-beelden. De fijn gesorteerde polijststappen die in de protocolsectie worden besproken, zijn een optimaal uitgangspunt voor het bereiken van een hoogwaardige uiteindelijke oppervlakteafwerking voor metaallegeringen. Bovendien kan het onderzoeken van het oppervlak na elke polijststap met een optische microscoop een verbetering van de oppervlaktekwaliteit bevestigen (bijv. Verminderd aantal, grootte en diepte van zichtbare krassen), terwijl afwerking met een vibrerende polijstmachine de beste uiteindelijke oppervlaktekwaliteit biedt. Ten slotte moet men rekening houden met de compatibiliteit van oplosmiddelen met het monster en het montagemiddel bij het kiezen van polijstverbindingen en reinigingsmethoden. Naast een zorgvuldige monstervoorbereiding vereist het co-lokaliseren van verschillende karakteriseringstechnieken het gebruik van een gemeenschappelijke referentie (d.w.z. fiduciaal merkteken) om de oorsprongslocatie en XY-coördinaatassenrichtingen aan te geven (d.w.z. monsteroriëntatie / rotatie) ^6,7,32. Er zijn verschillende mogelijke methoden om dit te bereiken. De eenvoudigste methode is om verschillende, reeds bestaande kenmerken op het oppervlak te identificeren die met het oog of met behulp van een optische microscoop kunnen worden gezien. Om deze methode te laten werken, moet de functie een goed gedefinieerd, gemakkelijk identificeerbaar oorsprongspunt hebben (bijvoorbeeld een hoek of uitsteeksel) en een duidelijke oriëntatie vertonen. Het hier beschreven CuSil-soldeermonster toonde functies op micronschaal die aan deze vereisten voldoen, waardoor colokalisatie eenvoudig is (figuur 1 en figuur 5) ³⁰. Bovendien gaven de onderscheidende zichtbare kleuren van de twee fase-gescheiden gebieden inzicht in hun samenstelling (d.w.z. koper versus zilverrijk). Misschien wel de beste, meest reproduceerbare methode voor het creëren van fiduciële markeringen is nano-indentatie, hoewel dit toegang vereist tot een standalone nano-indenter of AFM-geïntegreerd nano-indentersysteem. Nano-indeenten kunnen op verschillende manieren worden gerangschikt, maar de meest voor de hand liggende is om één inspringing als oorsprong te gebruiken en twee extra inkepingen uitgelijnd langs orthogonale assen om de X- en Y-richtingen van de oorsprong aan te geven, zoals weergegeven in het AM Ti64-voorbeeld (figuur 2) ³². Ten slotte kunnen fiduciële markeringen ook worden vastgesteld door het oppervlak te krassen of te markeren (bijvoorbeeld met een diamantschrijver, scheermesje of micromanipulator-sondepunt; of onuitwisbare inkt of permanente marker). Krasfiducials kunnen gunstig zijn wanneer verschillende oppervlaktekenmerken en/of een nano-indenter niet beschikbaar zijn; deze methoden kunnen echter problemen veroorzaken, vooral bij het onderzoeken van corrosie-eigenschappen (een kras kan bijvoorbeeld het oppervlak beschadigen, waardoor het gevoelig is voor corrosie). Als u een krasfiduciaal gebruikt, moet men de kras iets verder van het onderzochte oppervlak plaatsen om ervoor te zorgen dat de kras de experimentele resultaten niet beïnvloedt. Evenzo kan verontreiniging door inkt de corrosieprestaties beïnvloeden, en daarom worden deze methoden beter gebruikt bij het bestuderen van andere materiaaleigenschappen dan corrosie.

Aangezien de kwantificering van de VPD in KPFM afhankelijk is van de toepassing van zowel een AC-bias als een DC-nullingpotentiaal, moet het pad van het monsteroppervlak naar de AFM-klauwplaat elektrisch continu zijn. Dus als het monster op de een of andere manier elektrisch geïsoleerd is van de klauwplaat (het heeft bijvoorbeeld een oxidecoating aan de achterkant, wordt afgezet op een niet-geleidend substraat of is bedekt met epoxy), dan moet er een verbinding worden gemaakt. Een oplossing is om zilverpasta te gebruiken (zie de tabel met materialen) om een lijn te trekken van het bovenste oppervlak van het monster naar de klauwplaat, zodat de lijn geen breuken heeft en volledig droog is voordat deze wordt afgebeeld. Kopertape of geleidende koolstoftape kan ook worden gebruikt om een vergelijkbare elektrische verbinding te maken. Ongeacht de methode die wordt gebruikt om de elektrische verbinding tot stand te brengen, moet de continuïteit van het klauwplaatmonster worden gecontroleerd met een multimeter voorafgaand aan KPFM-beeldvorming.

Oxidatie of verontreiniging van een metalen oppervlak leidt tot drastische veranderingen in gemeten VPD's. Het minimaliseren van de hoeveelheid zuurstof waarmee het monster in contact komt, kan de oppervlaktepassivering of degradatie vertragen. Een manier om oxidatie te voorkomen is door de AFM in een dashboardkastje in een inerte atmosfeer te plaatsen. Door de zuurstofrijke omgeving te vervangen door een inert gas zoals argon of stikstof, kan het monsteroppervlak gedurende een langere periode in een relatief ongerepte toestand worden gehouden (figuur 3). Een bijkomend voordeel van het gebruik van een dashboardkastje is de eliminatie van oppervlaktewater, dat opgeloste verontreinigingen kan introduceren, corrosie of passivering kan versnellen en de resolutie kan verlagen als gevolg van de behoefte aan verhoogde hefhoogten (zie hieronder). Bovendien is aangetoond dat de gemeten VPD gevoelig is voor de relatieve vochtigheid^15,23, en het is daarom belangrijk om de relatieve vochtigheid te controleren (en idealiter te rapporteren) als KPFM-experimenten worden uitgevoerd onder omgevingsomstandigheden.

Afhankelijk van de gebruikte AFM (zie de Materiaaltabel) en de gebruikte KPFM-implementatiemodus, zullen de beschikbare beeldparameters en nomenclatuur variëren. Er kunnen echter enkele algemene richtlijnen worden geformuleerd. KPFM combineert AFM-topografie met VPD-metingen. Een goed topografiebeeld is dus een essentiële eerste stap, met een setpoint dat is gekozen om de tip-sample kracht (en dus het potentieel voor tip slijtage en monsterschade) te minimaliseren, terwijl toch high-fidelity tracking van de topografie wordt gehandhaafd (door het samenspel van de winsten en het setpoint te optimaliseren). Met andere woorden, ongeacht de beeldvormingsmodus van de topografie, moet de gebruiker een balans bepalen tussen voldoende interactie met het oppervlak zonder het monster of de sonde te beschadigen (vooral als het met metaal is gecoat). Bovendien, als het monster vuil is of niet goed gepolijst, kan de sondepunt in contact komen met puin, wat resulteert in een gebroken punt of tipartefacten. Het is ook noodzakelijk om topografische artefacten in het KPFM Volta-potentieelkanaal te vermijden, wat gemakkelijker kan worden bereikt in een KPFM-modus met dubbele pas, zoals hier beschreven. Optimale KPFM-beeldvorming vereist een balans tussen lagere en hogere hefhoogten, omdat de laterale resolutie van KPFM afneemt met toenemende hefhoogte, maar korteafstandskrachten van der Waals (die verantwoordelijk zijn voor de tip-sample-interacties die afm-topografiemetingen ondersteunen) kunnen instabiliteiten produceren die van invloed zijn op de meting van de elektrostatische interactie op langere afstand op lagere lifthoogten. Werken in een dashboardkastje met inerte atmosfeer zoals hierboven beschreven, kan in dit opzicht nuttig zijn, omdat eliminatie van de laag oppervlaktewater zijn bijdrage aan de tip-monsterinteractie verwijdert voor verbeterde feedback, waardoor lagere KPFM-hefhoogten en verbeterde ruimtelijke resolutie mogelijk worden, met het extra voordeel van meer reproduceerbare VPD's als gevolg van constante (in wezen nul) vochtigheid en verminderde ladingsscreening. Evenzo kan verminderde oppervlakteruwheid (d.w.z. beter polijsten) lagere hefhoogten mogelijk maken en resulteren in een verbeterde KPFM-resolutie, aangezien een goede vuistregel om topografische artefacten te voorkomen is om de lifthoogte ongeveer gelijk te stellen aan de hoogte van de hoogste oppervlaktefunctie(s) met hoge beeldverhouding die aanwezig is in het scangebied. Een andere factor die een rol speelt bij het bepalen van de optimale hefhoogte is de oscillatieamplitude van de sonde tijdens de liftmodus pass-grotere amplitude verleent een grotere gevoeligheid voor kleine VPD's, maar ten koste van het noodzakelijk maken van grotere lifthoogten om topografische artefacten te voorkomen of het oppervlak te raken (vaak zichtbaar als abrupte pieken in de liftscanfase). Nogmaals, hoe gladder het oppervlak, hoe lager de hefhoogte die kan worden bereikt voor een bepaalde oscillatieamplitude, waardoor zowel de ruimtelijke resolutie als de volta-potentiële gevoeligheid worden verbeterd - een goede monstervoorbereiding is de sleutel. Ten slotte moet men bij het vastleggen van een KPFM-afbeelding in gedachten houden dat een grotere scangrootte meer monsterdekking mogelijk maakt, maar ten koste van een langere scantijd, omdat langzame scansnelheden nodig zijn om de nauwkeurige meting van Volta-potentialen door de detectie-elektronica mogelijk te maken.

Gevolgtrekking over de relatieve adel van microstructuren waargenomen op het oppervlak van een geleidend materiaal kan worden gemaakt uit VPD's gemeten met behulp van KPFM (bijv. Microgalvanische paren, intergranulaire corrosie, putcorrosie). De absolute Volta-potentialen van materialen die in de literatuur worden gerapporteerd, variëren echter sterk 18,24,27. Dit gebrek aan reproduceerbaarheid heeft geresulteerd in verkeerde interpretaties over verschillende materiaalsystemen en hun corrosiegedrag^23,25. Als gevolg hiervan is voor de bepaling van absolute Volta-potentialen (d.w.z. werkfuncties) of vergelijking van VPD's gemeten in laboratoria, sondes of dagen, kalibratie van de werkfunctie van de KPFM-sonde ten opzichte van een inert materiaal (bijv. Goud) essentieel^25,48. Een studie uit 2019 door enkele van de auteurs onderzocht verschillende KPFM-sondes en toonde de variabiliteit van de resulterende gemeten VPD tussen die sondes en een aluminium-silicium-goud (Al-Si-Au) -standaard. Verschillen in werkfunctie werden zelfs waargenomen voor individuele sondes van hetzelfde nominale materiaal en ontwerp (figuur 12)²⁵. Als proof of concept werd het 316L roestvrij staal, verbonden door een CuSil-soldeerlaag waarnaar eerder werd verwezen, gebruikt als een voorbeeldmateriaal voor het meten van absolute VPD's of werkfuncties. De gegevens van het werk van Kvryan et ^al.30 uit 2016 werden vergeleken met KPFM VPD's verkregen op hetzelfde monster met een verscheidenheid aan sondes en gebruikt om de binnenste soldeer volta-potentialen te analyseren. Door de sondewerkfunctie te kalibreren met behulp van het Au-gedeelte van de Al-Si-Au-standaard als naslagwerkfunctie, verbeterde de herhaalbaarheid van de gemeten VPD van de soldeerfasen met meer dan een orde van grootte, van enkele honderden millivolts (figuur 12A) tot tientallen millivolts (figuur 12C). Verdere verbeteringen in de kalibratie kunnen worden gerealiseerd door het direct meten van de werkfunctie van de inerte referentie (bijvoorbeeld via foto-emissiespectroscopie of auger-elektronenspectroscopie) of het berekenen van de werkfunctie met behulp van dichtheidsfunctietheorie^25,48.

Figuur 12: Effect van sondekalibratie op KPFM Volta potentiële reproduceerbaarheid. (A) VPD's voor koperrijke en zilverrijke gebieden binnen het CuSil-soldeermonster verkregen ten opzichte van drie verschillende PFQNE-AL-sondes. (B) VPD's voor dezelfde drie sondes ten opzichte van het gouden deel van de Al-Si-Au-standaard gepresenteerd op de linker ordinaatas, met resulterende gewijzigde PFQNE-AL-werkfunctiewaarden gepresenteerd op de rechter ordinaatas, zoals berekend op basis van de dichtheidsfunctionele theorie. (C) Absolute VPD's van de koperrijke en zilverrijke regio's verkregen door de gemeten VPD's te schalen ten opzichte van het goud van de Al-Si-Au-standaard die voorafgaand aan de beeldvorming van het soldeermonster in beeld zijn gebracht. De linker ordinaatas (berekend met behulp van de vergelijking boven paneel C) geeft de VPD aan tussen de soldeermonsterfasen en de gouden standaard. De rechter ordinaatas (berekend met behulp van de vergelijking onder paneel C) presenteert de resulterende gewijzigde werkfunctie voor elke fase op basis van de gewijzigde werkfunctie van de sonde berekend in paneel B. Deze figuur is gereproduceerd uit Efaw et ^al.25. Afkortingen: KPFM = Kelvin probe force microscopie; VPD = Volta potentiaalverschil. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Kortom, de co-lokalisatie van KPFM Volta potentiële kaarten met geavanceerde SEM-technieken, waaronder SE-afbeeldingen, BSE-afbeeldingen, EDS elementaire compositiekaarten en EBSD-inverse poolfiguren kan inzicht geven in structuur-eigenschap-prestatierelaties. Evenzo kunnen andere karakteriseringstechnieken op nano- tot microschaal, zoals het scannen van confocale Raman-microscopie, ook worden gecolokaliseerd om verder structureel inzicht te bieden. Bij het co-lokaliseren van meerdere karakteriseringstools is monstervoorbereiding echter cruciaal, inclusief het minimaliseren van oppervlakteruwheid en puin, evenals het identificeren of creëren van betrouwbare fiduciale markers om de oorsprong en assen van de monsterbeeldvorming aan te geven (d.w.z. oriëntatie of rotatie). Bovendien moet rekening worden gehouden met de potentiële impact van een bepaalde karakteriseringstechniek op latere metingen, en om deze reden verdient het de voorkeur dat KPFM (dat zowel niet-destructief als zeer gevoelig is voor oppervlakteverontreiniging) eerst wordt uitgevoerd voorafgaand aan andere karakteriseringsmethoden. Ten slotte is het belangrijk om oppervlakteverontreinigingen te minimaliseren, rekening te houden met de verstorende effecten van de testomgeving (bijv. omgevingsvochtigheid) en deze te bewaken (of beter nog, te elimineren) en de werkfunctie van de KPFM-sonde goed te kalibreren om de betrouwbare, zinvolle vergelijking van KPFM Volta-potentiële metingen in de literatuur mogelijk te maken. Hiertoe wordt het gebruik van een dashboardkastje met inerte atmosfeer om het AFM-systeem te huisvesten (of, indien niet beschikbaar, het gebruik van een andere vorm van vochtigheidsregeling / vochtarme omgeving) en een gouden of andere inerte referentiemateriaalstandaard met een goed gekarakteriseerde werkfunctie voor sondekalibratie aanbevolen.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Atomic force microscope	Bruker	Dimension Icon	Uses Nanoscope control software, PF-KPFM module/key enabled
Colloidal silica polish	Leco	812-121-300	Abrasive: 0.08 μm (80 nm). Used as a finishing polish for metals. Great when preparing samples for performing high resolution EBSD.
Conductive silver paint, Pelco	Ted Pella	16062	Other products with similar conductivity can be used (e.g., Pelco #16031 or 16034), but this product combines fast ambient drying, low VOC, high mechanical strength, easy cleanup/removal, and relatively low sheet resistance: https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx
Diamond slurry	Buehler	MetaDi Supreme, Polycrystalline Diamon Suspension	Final steps in polishing the sample. Start with 1 μm, then move to 0.05 μm (50 nm).
Digital Multimeter	Fluke	Fluke 21 Multimeter	For checking continuity from the AFM stage/chuck to the sample surface, confirming proper grounding and biasing, etc.
Epoxy	Buehler	EpoThin 2	4:1 ratio of resin to hardener. Mixed together and used for mounting samples to help with polishing and experiments.
Ethanol	Sigma Aldrich	459828	200 proof, spectrophotometric grade. Used to clean samples after polishing and/or prior to imaging.
Glovebox, inert atmosphere	MBraun	LabMaster Pro MB200B + MB20G gas purification unit	Custom design (leaktight electrical feedthroughs, vibration isolation, acoustical noise and air current minimization, etc.) and depth for use with Bruker Dimension Icon AFM, 3 gloves, argon atmosphere
Image overlap software	Microsoft	PowerPoint	Other software products can be used as desired depending upon user knowledge. The essential software capabilities needed are translation, rotation, and scaling of images, as well as ideally adjustment of image transparency during overlay of KPFM/other microscopy images.
KPFM probe	Bruker	PFQNE-AL	Have also tried Bruker SCM-PIT and SCM-PIC probes, as well as solid Pt probes from Rocky Mountain Nanotechnology, but have found PFQNE-AL probes to provide superior performance
KPFM standard	Bruker	PFKPFM-SMPL	8 mm x 8 mm silicon wafer patterned with a 3 x 9 array of rectangular islands of aluminum (50 nm thick) surrounded by gold (50 nm thick). Mounted on a 15 mm steel disk with top surface gold layer electrically connected to disk.
Nanoindenter	Hysitron	TS 75	Nanoindented additively manufactured Ti-6Al-4V samples in a right triangle pattern to create an origin and XY axes for co-localized imaging.
Nanscope Analysis	Bruker	Version 2.0	Free AFM image processing and analysis software package, but proprietary, designed for, and limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others
Polisher	Allied	MetPrep 3	Used during slurry polishing
Probe holder	Bruker	DAFMCH	Specific to the particular AFM used, but must provide a direct electrical path from the probe to the instrument; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder for the Dimension Icon AFM, suitable for KPFM
Raman microscope, scanning confocal	Horiba	LabRAM HR Evolution	Scanning confocal Raman microscope with 442 nm, 532 nm, and 633 nm excitation wavelengths/lasers (used 532 nm doubled Nd:YAG); 10x, 20x, 50x, and 100x Olympus objectives; 50-250 mm adjustable confocal pinhole, 0.8 m imaging spectrometer with 600 and 1800 line/mm gratings; TE cooled 256 x 1024 CCD array detector; and 80 mm x 100 mm Marzhauser motorized XYZ stage plus DuoScan mirror capabilities for scanning
Sample Puck	Ted Pella	16218	Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459
Scanning electron microscope	Hitachi	S-3400N-II	Located at Boise State. Used to perform co-localized SEM/EDS on all samples except additively manufactured (AM) Ti-6Al-4V.
Scanning electron microscope	Zeiss	Leo	Field Emission SEM. Located at NIST's Boulder, CO, campus. Used to provide co-localized SEM/EBSD on the AM Ti-6Al-4V samples.
Silicon carbide grit paper (abrasive discs)	Allied	120 grit: 50-10005, 400 grit: 50-10025, 800 grit: 50-10035, 1200 grit: 50-10040	Polished samples progressively from ANSI standard 120 grit to 1200 grit prior to employing any slurries. Note that ANSI standard 120 grit corresponds to P120 (European), while ANSI standard 1200 grit corresponds to P4000 (European) - i.e., the ANSI (US Industrial Grit) and European FEPA (P-Grading) abrasives characterization standards agree at coarse grits, but diverge numerically for finer abrasives.
Sonicator	VWR (part of Avantor)	97043-992	Used to clean samples via sonication after polishing.
Ultrahigh purity nitrogen (UHP N2), 99.999%	Norco	SPG TUHPNI - T	T size compressed gas cylinder of ultrahigh purity (99.999%) nitrogen for drying samples
Variable Speed Grinder	Buehler	EcoMet 3000	Used with silicon carbide grit papers during hand polishing.
Vibratory polisher	Buehler	AutoMet 250 Grinder Polisher	Used to polish samples for longer periods of time. Automatic polishing.