לוקליזציה משותפת של מיקרוסקופיית כוח הגשושית קלווין עם מיקרוסקופיות וספקטרוסקופיות אחרות: יישומים נבחרים באפיון קורוזיה של סגסוגות

Summary

מיקרוסקופיית כוח הגשושית קלווין (KPFM) מודדת את הטופוגרפיה של פני השטח ואת ההבדלים בפוטנציאל פני השטח, בעוד שמיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) וספקטרוסקופיות נלוות יכולות להבהיר את המורפולוגיה, ההרכב, הגבישיות והכיוון הקריסטלוגרפי של פני השטח. בהתאם לכך, לוקליזציה משותפת של SEM עם KPFM יכולה לספק תובנה לגבי ההשפעות של הרכב ננומטרי ומבנה פני השטח על קורוזיה.

Abstract

מיקרוסקופיית כוח הגשושית קלווין (באנגלית: Kelvin probe force microscopy, בראשי תיבות: KPFM) היא הגרסה הננומטרית של גשושית קלווין הסורקת, אשר שתיהן מודדות את הפרש הפוטנציאלים של וולטה (VPD) בין קצה גשושית מתנדנד לבין משטח דגימה על ידי הפעלת מתח ריק השווה בגודלו אך הפוך בסימן להפרש הפוטנציאלים של דגימת הקצה. על ידי סריקת גשושית KPFM מוליכה על פני משטח דגימה, ניתן למפות שינויים ננומטריים בטופוגרפיה ובפוטנציאל של פני השטח, תוך זיהוי אזורים אנודיים וקתודיים אפשריים, כמו גם כימות הכוח המניע של החומר הטמון בקורוזיה גלוונית.

לוקליזציה משותפת מאוחרת יותר של מפות פוטנציאליות KPFM Volta עם טכניקות מתקדמות של מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM), כולל תמונות אלקטרונים מפוזרים אחורית (BSE), מפות הרכב יסוד של ספקטרוסקופיית פיזור אנרגיה (EDS) ודמויות קוטב הופכיות של אלקטרונים (EBSD) יכולות לספק תובנה נוספת לגבי יחסי מבנה-רכוש-ביצועים. כאן מוצגות התוצאות של מספר מחקרים המשתפים פעולה עם KPFM עם SEM על מגוון רחב של סגסוגות בעלות עניין טכנולוגי, המדגימות את התועלת של שילוב טכניקות אלה בקנה מידה ננומטרי כדי להבהיר ייזום והתפשטות קורוזיה.

נקודות חשובות שיש לקחת בחשבון ומלכודות פוטנציאליות שיש להימנע מהן בחקירות כאלה מודגשות גם הן: בפרט, כיול הבדיקה וההשפעות המבלבלות הפוטנציאליות על ה- VPDs הנמדדים של סביבת הבדיקה ומשטח הדגימה, כולל לחות הסביבה (כלומר, מים סופחים), תגובות פני השטח / חמצון, ופסולת ליטוש או מזהמים אחרים. בנוסף, מובאת דוגמה של לוקליזציה משותפת של טכניקה שלישית, סריקת מיקרוסקופיית ראמאן קונפוקלית, כדי להדגים את הישימות הכללית והתועלת של שיטת הקו-לוקליזציה כדי לספק תובנה מבנית נוספת מעבר לזו הניתנת על ידי טכניקות מבוססות מיקרוסקופיית אלקטרונים.

Introduction

אפיון מיקרוסקופי של חומרים חשוב ביסודו להבנה ולפיתוח של חומרים חדשים. שיטות מיקרוסקופיה רבות מספקות מפות של משטחי חומר ותכונותיהם, כולל טופוגרפיה, גמישות, מתח, מוליכות חשמלית ותרמית, פוטנציאל פני השטח, הרכב היסודות וכיוון הגבישים. עם זאת, המידע המסופק על ידי שיטת מיקרוסקופיה אחת אינו מספיק לעתים קרובות כדי להבין באופן מלא את אוסף המאפיינים שעשויים לתרום להתנהגות החומרית של עניין. במקרים מסוימים, מיקרוסקופים מתקדמים נבנו עם יכולות אפיון משולבות, כגון פלטפורמת מיקרוסקופ אופטי הפוכה המשלבת מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) או תוך שימוש בשיטות בדיקה מרובות של סריקה (למשל, מיקרוסקופ כוח גשושית קלווין [KPFM] או מיקרוסקופ כוח אלקטרוסטטי אינטרמודולציה [ImEFM¹], מדידות פוטנציאליות פני השטח ומיקרוסקופ כוח מגנטי [MFM])^{2,3,4, 5} כדי לאפיין מדגם באותו AFM. באופן כללי יותר, רוצים לשלב את המידע משני מיקרוסקופים נפרדים כדי לקבל קורלציות מבנה-תכונה ^6,7. הלוקליזציה המשותפת של מיקרוסקופיית כוח הגשושית קלווין סורקת עם מיקרוסקופיות וספקטרוסקופיות מבוססות רמאן מוצגת כאן כדי להמחיש תהליך לקורלציה של מידע המתקבל משני מיקרוסקופים נפרדים או יותר באמצעות דוגמה יישומית ספציפית, כלומר, אפיון רב-מודאלי של סגסוגות מתכת להבנת התנהגות קורוזיה.

קורוזיה היא התהליך שבו חומרים מגיבים כימית ואלקטרוכימית עם סביבתם⁸. קורוזיה אלקטרוכימית היא תהליך ספונטני (כלומר, תרמודינמי חיובי, המונע על ידי ירידה נטו באנרגיה החופשית) המערבת העברת אלקטרונים ומטען המתרחשת בין אנודה לקתודה בנוכחות אלקטרוליט. כאשר קורוזיה מתרחשת על משטח מתכת או סגסוגת, אזורים אנודיים וקתודיים מתפתחים בהתבסס על וריאציות בהרכב התכונות המיקרו-סטרוקטורליות בתהליך המכונה קורוזיה מיקרו-גלוונית⁹. באמצעות שימוש בטכניקות אפיון בקנה מידה ננומטרי, השיטות המתוארות כאן מספקות מסלול ניסיוני לזיהוי זוגות מיקרו-גלווניים אפשריים בין מגוון רחב של תכונות מיקרו-מבניות מסגסוגת, ומספקות תובנות מועילות פוטנציאליות להפחתת קורוזיה ולפיתוח חומרים חדשים. התוצאות של ניסויים אלה יכולות לקבוע אילו תכונות מיקרו-מבניות במשטח הסגסוגת צפויות לשמש כאתרי אנודה מקומיים (כלומר, אתרי חמצון) או קתודות (כלומר, אתרי הפחתה) במהלך קורוזיה פעילה, וכן לספק תובנה חדשה לגבי התכונות הננומטריות של התחלת קורוזיה ותגובות.

KPFM היא טכניקת אפיון מיקרוסקופיית סריקה מבוססת AFM (SPM) שיכולה ליצור טופוגרפיה בו-זמנית (או שורה אחר שורה רציפה) ומפות הפרש הפוטנציאלים של וולטה (VPD) של משטח דגימה עם רזולוציות בסדר גודל של 10 ננומטר ומיליוולט,^{בהתאמה 10}. כדי להשיג זאת, KPFM משתמשת בגשושית AFM מוליכה עם קצה ננומטרי. בדרך כלל, הבדיקה עוקבת תחילה אחר השינויים הטופוגרפיים במשטח הדגימה, ולאחר מכן מתרוממת לגובה המוגדר על-ידי המשתמש מעל משטח הדגימה לפני שהיא משחזרת את קו הטופוגרפיה כדי למדוד את ה-VPD בין הגשושית לדגימה (כלומר, פוטנציאל וולטה היחסי של משטח הדגימה). למרות שישנן מספר דרכים ליישם באופן מעשי מדידות KPFM, ביסודו של דבר, קביעת ה- VPD מתבצעת על ידי החלת בו-זמנית הן הטיית AC (ביישום המוצג, על הגשושית) והן הטיית DC משתנה (ביישום המוצג, על המדגם) כדי לבטל את הפרש הפוטנציאלים של דגימת הקצה כפי שצוין על ידי ביטול התנודה של הגשושית בתדר הטיית AC המיושם (או הסכום המוגבר ההטרודין שלה ותדרי ההפרש על משני צדי תדר התהודה המכנית הטבעית של הגשושית) ¹¹. ללא קשר לשיטת היישום, KPFM מייצרת טופוגרפיה מרחבית רוחבית גבוהה מתואמת ומפות VPD על פני משטח מתכתי¹².

ה-VPD שנמדד באמצעות KPFM נמצא בקורלציה ישירה להבדל בפונקציית העבודה בין הדגימה לבדיקה, ויתרה מכך, מגמות ה-VPD (בדרך כלל) עם פוטנציאל האלקטרודה בתמיסה^13,14,15. ניתן להשתמש בקשר זה כדי לקבוע את התנהגות האלקטרודות הצפויה (המקומית) של תכונות מיקרו-סטרוקטורליות בהתבסס על ה- VPD ונחקרה עבור מספר מערכות קורודוקציה מסגסוגת מתכת 15,16,17,18,19,20,21,22 . בנוסף, ה-VPD הנמדד רגיש להרכב מקומי, לשכבות פני השטח ולמבנה התבואה/גביש/פגם, ולכן מספק הבהרה ננומטרית של התכונות הצפויות ליזום ולהניע תגובות קורוזיה על משטח מתכת. יש לציין כי ה- VPD (Ψ) קשור, אך נבדל, מפוטנציאל פני השטח (שאינו ניתן למדידה) (χ), כפי שתואר בפירוט רב יותר בספרות 13,14^, כולל דיאגרמות מועילות והגדרות מדויקות של מינוח אלקטרוכימיה נכונה²³. ההתקדמות האחרונה ביישום KPFM למחקרי קורוזיה הגדילה מאוד את האיכות והחזרתיות של נתונים שנרכשו באמצעות בחינה מדוקדקת של השפעת הכנת הדגימה, פרמטרי המדידה, סוג הבדיקה והסביבה החיצונית^24,25,26,27.

חסרון אחד של KPFM הוא שבעוד שהוא מייצר מפת רזולוציה בקנה מידה ננומטרי של פני השטח VPD, הוא אינו מספק מידע ישיר לגבי הרכב, ולכן, המתאם של וריאציות ב- VPD להבדלים בהרכב היסודות חייב להיות מסופק על ידי לוקליזציה משותפת עם טכניקות אפיון משלימות. על ידי לוקליזציה משותפת של KPFM עם SEM, ספקטרוסקופיה של פיזור אנרגיה (EDS), עקיפת אלקטרונים אחוריים (EBSD) ו/או ספקטרוסקופיית ראמאן, ניתן לקבוע מידע קומפוזיציוני ו/או מבני כזה. עם זאת, טכניקות ננומטריות של לוקליזציה משותפת יכולות להיות קשות בשל ההגדלה הקיצונית של ההדמיה, הבדלים בשדה הראייה וברזולוציה, ואינטראקציות מדגם במהלך אפיון²⁸. קבלת תמונות ננו-למיקרו-קנה מידה של אותו אזור בדגימה במכשירים שונים דורשת דיוק גבוה ותכנון זהיר כדי למקם מחדש טכניקות ולמזער את הממצאים עקב זיהום צולב אפשרי במהלך אפיון רציף^18,28.

מטרת מאמר זה היא להגדיר שיטה שיטתית ללוקליזציה משותפת של הדמיית KPFM ו- SEM, שהאחרונה שבהן יכולה להיות מוחלפת בטכניקות אפיון אחרות כגון EDS, EBSD או ספקטרוסקופיית ראמאן. יש להבין את הסדר הנכון של שלבי האפיון, את ההשפעות הסביבתיות על רזולוציית KPFM ו- VPDs נמדדים, כיול בדיקה KPFM, ואסטרטגיות שונות שניתן להשתמש בהן כדי להתאים בהצלחה SEM או טכניקות מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה מתקדמות אחרות עם KPFM. לפיכך, הליך כללי שלב אחר שלב לשיתוף SEM עם KPFM מסופק, ואחריו עבודות מופת של לוקליזציה משותפת כזו יחד עם טיפים וטריקים מועילים להשגת תוצאות משמעותיות. באופן כללי יותר, ההליך המתואר כאן אמור לשמש להתוויית תהליך ישים באופן נרחב ללוקליזציה משותפת של תמונות/מפות מאפיינים המתקבלות מאופנויות מיקרוסקופיות אחרות עם KPFM ומצבי AFM אחרים כדי להשיג יחסי מבנה-מאפיין שימושיים במגוון מערכות חומרים 6,7,29,30,31,32.

Protocol

1. הכנה לדוגמה לדוגמה להדמיה מקומית משותפת של סגסוגת מתכת

1. הכן דגימות קטנות מספיק כדי לעמוד בדרישות הממדים של ה- AFM וכלי אפיון אחרים שיש להשתמש בהם (לדוגמה, במקרה של ה- AFM המשמש כאן, עיין בטבלת החומרים, ודא שלדגימות יש גובה של <18 מ"מ כדי להתאים מתחת לראש ה- AFM), הן חלקות מספיק בתחתית כדי לאטום כנגד ואקום הדגימה של שלב ה- AFM, מציגים חספוס משטח מינימלי ללא לכלוך רופף, ומספקים נתיב מוליך מהבסיס למשטח העליון.
   1. חותכים את הדוגמאות למידות מקובלות ומטמיעים באפוקסי תואם ואקום גבוה (ראו טבלת חומרים; תבנית גלילית בקוטר ~25 מ"מ אופיינית).
2. ליטשו את הדגימות לחספוס פני השטח בקנה מידה ננומטרי.
   הערה: מסופקת שיטת ליטוש מייצגת; ראה הפניות כאן לשיטות ליטוש חלופיות המופעלות עבור חומרים או דוגמאות ספציפיים. שיטת הליטוש לדוגמה שלהלן משתמשת בליטוש ידני באמצעות גלגל ליטוש.
   1. התחילו עם גריסים גסים יותר ועבדו בהדרגה לקראת דיסקים שוחקים עדינים יותר של סיליקון קרביד.
      1. עבוד מחצץ גס עד עדין (לדוגמה, תקן ANSI 120 grit עד 1200 נחרצות) דיסקיות שוחקות מסיליקון קרביד, תוך הקדשת 5 דקות בכל רמת חצץ. בין כל מפלס חצץ, בדוק את הדגימה תחת מיקרוסקופ אופטי כדי לאשר חזותית שריטות מינימליות עד אפסיות.
         הערה: תקן ANSI 120 grit ו- 1200 ניירות מחוספסים שוחקים תואמים ל- P120 ו- P4000 האירופיים, בהתאמה.
   2. יש ללטש ביד למשך 10 דקות באמצעות מתלה יהלום לא מימי של 1 מיקרומטר, ואחריו מתלה יהלום 0.05 מיקרומטר.
   3. בעזרת מלטש רטט, יש ללטש את הדגימה במשך 24 שעות עם פוליש סיליקה קולואידי מימי של 0.05 מיקרומטר או 0.08 מיקרומטר.
      הערה: שימוש בפוליש רטט מאפשר גימור עדין יותר מאשר ליטוש ידני ויביא לתמונות KPFM באיכות גבוהה יותר.
   4. אם החומר הנחקר אינו עובר חמצון מהיר, יש לשטוף את הדגימה במים שעברו דה-יוניזציה (או בממס מתאים אחר, פחות מחמצן, כגון אלכוהול נטול מים) לפני ההדבקה בכוס עם ממס מתאים (למשל, אתנול, בהתאם לאפוקסי ולתרכובות הליטוש שבהן נעשה שימוש, כמו גם הרכב הסגסוגת) כדי להסיר כל תרכובת ליטוש שיורית או פסולת חומר.
   5. יש להסיר את הדגימה מהסוניקטור, לשטוף עם ממס ולייבש באוויר דחוס או בטוהר אולטרה-גבוה (UHP, 99.999%) גז חנקן דחוס.
   6. השתמש במיקרוסקופיה אופטית כדי לקבוע אם הליטוש מספיק. ודא שלדגימה אין כמעט שריטות נראות לעין על פני השטח (באופן אידיאלי נראה כמו מראה).
3. יישם את שיטת הלוקליזציה המשותפת הרצויה כדי ליצור מקור וצירים (כלומר, מיקום דגימה / רישום וכיוון / סיבוב).
   הערה: שיטות אפשריות של לוקליזציה משותפת כוללות מערך ננו-אינדנט, פידוקיאל שריטה, נקודת דיו בלתי ניתנת למחיקה או תכונה אחרת הניתנת לזיהוי בקלות במערכות האופטיות של המיקרוסקופים כדי לעבור לוקליזציה משותפת. ראו איור 1 כדוגמה של תכונות אופטיות הניתנות לזיהוי בקלות, הנראות לאחר ליטוש.
   1. בצעו ננו-אינדנציה לפני או אחרי ליטוש באמצעות ננו-אינדנטר בעל מכשור מסחרי כדי לייצר סמנים פידוקיאליים הניתנים לזיהוי (איור 2).
   2. לחלופין, הכינו נקודות דיו או שריטות (למשל, בעזרת בדיקה מיקרומניפולטורית, סכין גילוח או כתב יהלום) לאחר הליטוש. אם יש לבצע בדיקת קורוזיה על המדגם מאוחר יותר, הימנעו משיטות אלה.

איור 1: מיקרוסקופ אופטי מקומי ותמונות KPFM. (A) מיקרוסקופ אופטי ו-(B) תמונת KPFM מוגדלת של האזור בקופסה ב-A של חזיית Cu-Ag-Ti (CuSil) המציגה ראיות ברורות לתחומים מופרדים בפאזה עשירים בנחושת ובכסף בתוך סגסוגת הברז, מובחנים מספיק כדי שניתן יהיה לזהותם בעין³⁰. פסי קנה מידה: (A) 25 מיקרומטר, (B) 7 מיקרומטר. קיצור: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2: ננו-אינדנטציה פידוקצ'יאלית ללוקליזציה משותפת של KPFM ומיקרוסקופיית אלקטרונים. יצירת תבנית אסימטרית של שלושה סימנים פידוקיאליים (המסומנים 1-3 ומסומנים על ידי שני עיגולים עבור צירי XY ומשולש עבור המקור) על ידי ננו-אינדנטר המצויד בגשושית ברקוביץ' יהלום אפשרה ניתוח של אותו אזור עניין באמצעות טכניקות אפיון מרובות: (A) הדמיית SEM SEM, (B) הדמיית BSE SEM, ומדידות EBSD של (C) α-Ti ו-(D) β-Ti. השטח המסומן על ידי הריבוע המוטה והמנוקד בלוחות A-D אופיין לאחר מכן ב-AFM/KPFM כדי להפיק (E) גובה ו-(F) וולטה תמונות פוטנציאליות. המלבנים הקטנים המוצקים והמקווקווים ב-A-D מייצגים אזורים של סריקות KPFM ברזולוציה גבוהה יותר שנותחו בפירוט רב יותר (ראו איור 9). נתון זה מועתק מ- Benzing et ^al.32. סרגלי קנה מידה = 20 מיקרומטר. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SE = אלקטרון משני; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; EBSD = עקיפה אחורית של אלקטרונים; AFM = מיקרוסקופיה של כוח אטומי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

2. הדמיית KPFM

1. הפעל את ה-AFM ופתח את תוכנת הבקרה המתאימה (ספציפית ל-AFM, עיין בטבלת החומרים ובנוהל ההפעלה הסטנדרטי (SOP) של KPFM הכלולים בחומרים המשלימים). בחלון בחירת ניסוי שנפתח, בחר את קטגוריית הניסוי, קבוצת הניסויים והניסוי המתאימות (מצבי הרמה חשמלית ומגנטית, חשמלית ומגנטית, ו-PeakForce KPFM במקרה זה; ראה איור 1 ב-SOP של חומרים משלימים), ולאחר מכן לחץ על טען ניסוי כדי לפתוח את זרימת העבודה הרצויה. לאחר פתיחת זרימת העבודה של הניסוי, לחץ על הגדרה בזרימת העבודה.
2. הרכב ואבטח גשושית AFM מוליכה על מחזיק הבדיקה המתאים (ראה טבלת חומרים), התקן את מחזיק הבדיקה על ראש ה-AFM ויישר את הלייזר על גב גשושית הבדיקה ולתוך הגלאי הרגיש למיקום (PSD). (ראה SOP בחומרים משלימים לקבלת פרטים נוספים ותמונות של הליכי טעינת הבדיקה ויישור הלייזר).
   הערה: ודא שמחזיק הבדיקה שנבחר מספק נתיב חשמלי רציף מהגשושית ל-AFM לצורך הטיה.
   1. טען בזהירות את הבדיקה על מחזיק הבדיקה. הסר את ראש ה-AFM. התקן את מחזיק הבדיקה והבדיקה על ידי יישור החורים במחזיק הבדיקה עם פיני המגע על הראש. התקן מחדש את הראש ב- AFM ואבטח את הראש במקומו.
      הערה: פריקה אלקטרוסטטית (ESD) עלולה לגרום נזק קל לציפוי המתכת המוליך בגששי KPFM רבים, כמו גם באלקטרוניקה רגישה של AFM, לכן בהתאם לתנאי הסביבה (לדוגמה, לחות), שקול אמצעי נגד כגון לבישת כפפות נגד ESD ו/או שימוש ברצועת פרק כף יד או מחצלת הארקה.
   2. בתפריט Probe Setup , ודא שסוג הבדיקה שבו נעשה שימוש מוצג. במידת הצורך, לחץ על בחר בדיקה ובחר את סוג הבדיקה הנכון מהתפריט הנפתח, ולאחר מכן לחץ על החזר ושמור שינויים.
   3. בתפריט עצת מיקוד , העבר את קצה המכל למוקד באמצעות פקדי המיקוד חצים למעלה/למטה. התאם את מהירות המיקוד, הזום האופטי ותאורת הווידאו לפי הצורך. לאחר שקצה הקנטילבר נמצא במיקוד, יישר את הכוונת מעל מיקום הקצה על ידי לחיצה על התמונה האופטית במיקום המתאים למיקום הקצה מתחת לקנטילבר בהתבסס על הסטייה הידועה של הקצה מהקצה הדיסטלי של הקנטילבר.
      הערה: הסטייה מהקצה מצוינת בדרך כלל על-ידי/זמינה מיצרן הבדיקה.
   4. באמצעות ידיות יישור הלייזר בראש ה-AFM, יישר את הלייזר למרכז החלק האחורי של משקוף הבדיקה לכיוון הקצה הדיסטלי (כלומר, לכיוון הקצה/הרחק ממצע הבדיקה) ומרכז את הקרן המוחזרת ב-PSD כדי למקסם את מתח הסכום תוך מזעור הסטיות האנכיות והאופקיות.
3. טען את הדגימה על הצ'אק והפעל את ואקום צ'אק באמצעות מתג ידית ההפעלה/כיבוי . יש למרוח קו דק של משחת כסף מוליכה (ראו טבלת חומרים) כדי לספק נתיב חשמלי רציף מהדגימה אל הצ'אק. לאחר שהדבק הכסוף התייבש, בדוק כדי לוודא שלמשטח העליון של הדגימה יש המשכיות טובה לצ'אק/שלב הדגימה באמצעות מולטימטר. (ראה SOP בחומרים משלימים לקבלת פרטים נוספים).
   הערה: אם החיבור החשמלי בין הדגימה לבין הבמה/צ'אק אינו טוב, נתוני הערוץ הפוטנציאליים המתקבלים במהלך הדמיית KPFM יהיו רועשים ו/או שגויים.
4. בחר את הסמל לנווט בזרימת העבודה של תוכנת בקרת AFM והזז את הבדיקה מעל הדוגמה באמצעות תנועת הבמה בקרת XY החצים. הבא את משטח הדגימה למיקוד באמצעות ראש סריקה חצים למעלה/למטה, ולאחר מכן השתמש בתנועת הבמה בקרת XY חצים שוב כדי לאתר את המקור המיועד ולעבור לאזור העניין (ROI). (ראה תרשים 8 ו תרשים 9 ב חומרים משלימים SOP).
   1. התקרב למשטח בזהירות (כוונן את מהירות תנועת ראש הסריקה לפי הצורך) והבא את המשטח למיקוד. היזהרו לא לקרוס את הגשושית לתוך משטח הדגימה, מכיוון שהדבר עלול לגרום לנזק לבדיקה או לדגימה.
      הערה: תוכנת הבקרה AFM המשמשת כאן מספקת שתי אפשרויות מיקוד: דוגמה (ברירת מחדל) והשתקפות עצה. הראשון משתמש באורך מוקד של 1 מ"מ כך שמשטח ה- AFM יהיה ~ 1 מ"מ מעל פני השטח כאשר המשטח מופיע בפוקוס בתצוגה האופטית. זה האחרון משתמש באורך מוקד של 2 מ"מ כך שהמשטח יופיע בפוקוס כאשר משטח ה- AFM נמצא ~ 2 מ"מ מעל פני השטח, בעוד השתקפות הקצה תופיע בפוקוס כאשר הקנטילבר הוא ~ 1 מ"מ מעל פני השטח (בהנחה שמשטח דגימה מלוטש ורפלקטיבי מאוד). לפיכך, שיטה מוצעת להתקרב למשטח היא להתחיל במצב השתקפות קצה ולהתקרב במהירות מלאה (100%) עד שמשטח הדגימה נכנס לפוקוס, ואז לעבור לדגימה (ברירת מחדל) ולהתקרב במהירות בינונית (20%) כדי לעבור מ-2 מ"מ ל-1 מ"מ מעל פני השטח.
   2. השתמש ב-XY Control של תנועת הבמה כדי למקם תכונה קלה לזיהוי/ייחודית ישירות מתחת לקצה הבדיקה (מסומן על-ידי הכוונת בחלון הצפייה האופטי עבור ה-AFM והתוכנה המשמשת כאן). לאחר שתעבור על התכונה, תקן את הפרלקסה המושרה על-ידי אופטיקת המצלמה המותקנת בצד על-ידי לחיצה על כיול בסרגל הכלים, ולאחר מכן בחירה באפשרות קו-ליניאריות של ציר אופטי ואופטיקה/SPM. בצע את שלבי כיול הקו-ליניאריות על-ידי לחיצה על הבא. יישר את הכוונת מעל אותה תכונה ייחודית בכל אחת מהתמונות האופטיות המוצגות לפני שתלחץ על סיום, ולאחר מכן לחץ על נווט בתהליך העבודה של התוכנה כדי להמשיך.
   3. אתר את המקור המיועד (בהתבסס על שיטת הלוקליזציה המשותפת שנבחרה/נעשה בה שימוש) ויישר את צירי הקואורדינטות X ו- Y (כלומר, כיוון וסיבוב הדגימה) בהתאם, תוך מרכוז קצה הבדיקה מעל המקור. כדי לאפשר ניווט חוזר להחזר ההשקעה הרצוי וללוקליזציה משותפת עם טכניקות/מכשירים אחרים לאפיון, שים לב לערכי המיקום X ו- Y (ב- μm) המוצגים בתחתית חלון התוכנה. לאחר מעבר למקור המיועד, רשום את מיקום XY, ולאחר מכן עבור לאזור הרצוי (ROI) והקלט את מיקום ה- XY החדש. חשב את ההפרש בין שני מיקומים אלה כדי לקבוע את המרחק לתנועה בכיווני X ו- Y בעת לוקליזציה משותפת של KPFM עם טכניקות מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה אחרות.
      הערה: ישנן מספר דרכים לקבוע ולהגדיר את המיקום של החזר ההשקעה ביחס למקור, כפי שמתואר בפירוט רב יותר בשלבי המשנה שלהלן.
      1. לחץ על שלב בסרגל הכלים ובחר העבר אל. רשום את מיקום XY המקורי ולאחר מכן הזן ערכי הזזה מוחלטים (ברירת מחדל) או יחסיים (על-ידי בחירה בתיבת הסימון תנועה יחסית) ערכי הזזה X ו - Y בהתבסס על המרחק הרצוי מהמקור עבור החזר ההשקעה (או נווט אל החזר ההשקעה באמצעות פקדי תנועת הבמה ורשום את מיקום XY החדש).
      2. לחלופין, השיטה האינטואיטיבית ביותר, ולכן המועדפת ביותר, היא ללחוץ על שלב בסרגל הכלים ולבחור הגדר הפניות. מעבר למקור המיועד, לחץ על סמן נקודה כמקור תחת הגדר מקור כדי לאפס את ערכי המיקום X ו- Y. לאחר מכן, העבר את הבדיקה ל- ROI הרצוי וציין את המרחק מהמקור להחזר ההשקעה המוצג כערכי X ו- Y בתחתית המסך.
5. סגור ונעל את מכסה המנוע האקוסטי התוחם את ה-AFM.
   הערה: השיטה לעיל מניחה מערכת AFM סטנדרטית בסביבת הסביבה, אך ניתן לבצע KPFM גם בתא כפפות אטמוספירה אינרטי. בעוד שזה מאתגר יותר, שימוש ב-AFM ששוכן בתא כפפות יכול להיות מועיל מאוד בגלל כמויות מופחתות של מים עיליים, מכיוון שהוא מאפשר הגבהים נמוכים יותר (ומכאן, רזולוציה מרחבית גבוהה יותר) ומדידות VPD ניתנות לשחזור יותר ביחס ללחות המשתנה שחווים בתנאי הסביבה, כמו גם מניעת היווצרות שכבת תחמוצת פסיבית או קורוזיה בדגימה לאחר ליטוש (איור 3 ). אם עורכים ניסויי KPFM בתנאי סביבה, מומלץ לשלוט בקפידה (במידת האפשר) ולפקח על הטמפרטורה והלחות היחסית. עיין בדיון לקבלת פרטים נוספים.
6. בחר בחלון זרימת העבודה Check Parameters וודא שפרמטרי ההדמיה הראשוניים המוגדרים כברירת מחדל קבילים. עבור אל הגדרות המיקרוסקופ בסרגל הכלים , בחר הגדרות מעורבות, וודא שפרמטרי ברירת המחדל של Engage מקובלים, ושנה אותם אם תרצה בכך. (ראה SOP בחומרים משלימים לפרטים נוספים). לחץ על לחצן צור מעורבות בזרימת העבודה כדי ליצור מעורבות על פני השטח. עקוב אחר תהליך המעורבות כדי לוודא שהטיפ פועל כראוי.
   הערה: בלחיצה על Engage, ההודעה Tip Secured בתחתית מסך התוכנה תשתנה ל-Motor: ZZ. Z μm כאשר ZZ. Z הוא המרחק שמנוע הסטפר עבר לעבר משטח הדגימה. הבדיקה צריכה להפעיל את המשטח בערך בהגדרת הבטיחות של SPM שנבחרה בהגדרות Engage (ערך ברירת המחדל הוא 100 מיקרומטר). אם משתמשים בגשושית עם קצה ארוך במיוחד (כלומר, גובה קצה גדול), ייתכן שיהיה צורך להגביר את בטיחות SPM כדי למנוע התרסקות של הגשושית במהלך החלק הראשוני של הירידה המהירה של תהליך ההתקשרות (כלומר, בטיחות SPM חייבת להיות גדולה מגובה קצה הבדיקה, המוגדר כמרחק מהקנטילבר לקצה הקצה, בתוספת חוסר הוודאות במרחק המיקוד של פני השטח).
7. לאחר ההפעלה, החלף את סוג התצוגה של עקומת הכוח מכוח לעומת זמן לכוח לעומת Z על-ידי לחיצה ימנית על העקומה ובחירה באפשרות החלף סוג תצוגה. מטב את הטופוגרפיה של AFM ואת הפרמטרים של KPFM בחלון פרמטרים של ממשק הסריקה (ראה את הדיון ואת KPFM SOP בחומרים המשלימים). לאחר הגדרת נתיב ספרייה ושם קובץ מתאימים תחת לכידת > שם קובץ לכידה, לחץ על סמל לכידה כדי להגדיר את לכידת התמונה המלאה הבאה הרצויה, ולאחר מכן לחץ על משיכה בתהליך העבודה לאחר לכידת התמונה (או לחלופין לחץ על לכידת > לכידה כדי להפוך את התהליך לאוטומטי).

איור 3: ההשפעה של אטמוספירה אינרטית לעומת סביבה על מדידות פוטנציאליות של KPFM וולטה. תמונות KPFM של אותו אזור של סגסוגת MgLa בינארית המתקבלות ב-(A) אוויר יבש N₂ ו-(B) על אותו יצרן ודגם של AFM עם אותו סוג של בדיקה ושיטת הדמיה. בשני המקרים, הדגימה צולמה פעמיים עם דגירה לילית בין התמונות. התמונות באוויר התקבלו יום אחד לאחר התמונות ב-N₂. התוצאות מראות כי ניגודיות KPFM התדרדרה עם הזמן עם החשיפה לאוויר הסביבה כשכבת תחמוצת פסיווית דקה שנוצרה על משטח הסגסוגת. השימוש באטמוספירה האינרטית (N₂ יבשה) מערכת AFM של תא הכפפות אפשרה גם שימוש בגבהים נמוכים יותר, שיכולים להניב רזולוציה מרחבית רוחבית גבוהה יותר. סרגלי קנה מידה = 10 מיקרומטר. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; AFM = מיקרוסקופיה של כוח אטומי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

3. הדמיית SEM, EDS ו-EBSD

הערה: עדיף לבצע כל מיקרוסקופיית אלקטרונים או אפיון ספקטרוסקופיה לאחר KPFM מכיוון שקרן האלקטרונים יכולה להפקיד ציפוי פחמן לא רצוי על הדגימה (כלומר, תצהיר קרן אלקטרונים); שכבת זיהום זו תשפיע על ה-VPD שנמדד באמצעות KPFM (לדוגמה, ראו איור 2 ב-Hurley et al). ¹⁸ או איור 1 במאלינסון ובוואטס²⁸). שכבות דקות של זיהום פחמן יכולות לשקוע גם בתנאי ואקום גבוהים מאוד וישפיעו על מדידות פוטנציאליות של פני השטח.

1. ודא שהדגימה מעכבת את הטעינה. אם הדגימה אינה מוליכה מספיק (בדרך כלל לא במקרה של סגסוגות מתכת), שקול ציפוי פחמן לפני ההדמיה. טען את הדגימה לתא ה- SEM. לסגור ולשאוב למטה (לפנות) את החדר; הפעל את קרן האלקטרונים באמצעות לחצן Beam On . הקטן את התצוגה באופן אופטי באמצעות כפתור ההגדלה כדי להשיג את שדה הראייה המרבי (FOV) של משטח הדגימה.
2. אתר/י את המקור המיועד (לדוגמה, ננו-כניסה, שריטה, נקודת דיו בלתי ניתנת למחיקה, תכונה אופטית), ולאחר מכן הגדל/י את התצוגה באמצעות כפתור ההגדלה . כיוון צירי X ו- Y בהתאם לסמנים הפידוקיאליים (כלומר, התאם את כיוון הדגימה/סיבוב) על-ידי הזנת ערכים לאפשרויות סיבוב והטיה של הבמה. הגדל את התצוגה לפי הצורך ולכוד את התמונות הרצויות (לדוגמה, מפות אלקטרונים משניים [SE], BSE ו- EDS) של ההחזר הייעודי על ההשקעה ושמור את הקבצים.
   הערה: מכיוון ש- SEM מציע FOV רחב יותר מאשר AFM, לעתים קרובות כדאי להשיג תמונת SEM בשטח גדול כדי להבטיח לכידת האזור כולו כדי להיות מקומי עם KPFM (ראה את הדיון).

4. שכבת-על וניתוח של תמונות KPFM, SEM, EDS ו-EBSD

1. השתמש בתוכנה המתאימה לכל כלי אפיון (ראה טבלת חומרים) כדי לעבד את הנתונים הגולמיים לפי הצורך. שמור וייצא את תמונות KPFM ו- SEM שנרכשו בתבניות הקובץ הרצויות (לדוגמה, *.spm, *.txt, *.jpg, *.tif וכו') עבור תוכנת כיסוי התמונה לשימוש.
   1. עבד נתוני KPFM כראוי כדי להבטיח תמונות באיכות גבוהה (ראה טבלת חומרים).
      הערה: בהתאם לתצורת החומרה והתוכנה הספציפית של AFM המועסקת, ייתכן שהתחושה (כלומר, סימן וסדר יחסי) של ה- VPDs שנמדדו עשויה להיות הפוכה ויש להפוך אותה. נהוג לדווח על ה-VPD כפוטנציאל וולטה של הדגימה פחות זה של קצה הגשושית, כאשר משטחים אציליים יותר/פחות מחומצנים בקלות מסומנים על ידי פוטנציאל וולטה גדול וחיובי יותר, בדיוק כפי שתפקוד העבודה שלהם ידווח בדרך כלל כערך גדול וחיובי, המעיד על הקושי היחסי בהסרת אלקטרון מפני השטח.
      1. לאחר פתיחת קובץ הנתונים של KPFM, החל התאמת מישור מסדר ראשון על ערוץ הטופוגרפיה של AFM (חיישן גובה) של תמונות KPFM כדי להסיר את קצה הדגימה וההטיה, וכן שיטוח מסדר ראשון במידת הצורך כדי לפצות על כל קיזוז קו לשורה עקב שחיקת בדיקה או איסוף לכלוך בקצה הבדיקה.
         הערה: אם יש צורך במדידות פוטנציאליות מוחלטות של וולטה (ראה דיון) או שיש להשוות מספר תמונות המכילות KPFM VPDs שנמדדו באותה בדיקה, אין לעבד את ערוץ הפוטנציאל KPFM Volta (כלומר, להשתמש בנתונים הגולמיים, כנתונים שנרכשו). אם במקום זאת, המשתמשים מתעניינים רק ב- VPDs היחסיים של מיקרו-מבנים פנימיים (כלומר, כלולים במלואם בתוך) אזור המדגם המצולם, מותר ל- Plane Fit ולשטח גם את ערוץ KPFM Potential כדי לשפר את איכות התמונה.
      2. בחר את ערכת הצבעים/מעבר הצבע הרצוי עבור תמונות KPFM על-ידי בחירה תחילה בתמונה הממוזערת של הערוץ הפוטנציאלי משמאל לתמונת הטופוגרפיה של AFM, ולאחר מכן לחיצה כפולה על סרגל סולם הצבעים מימין למפת KPFM VPD כדי לפתוח את החלון התאמת קנה מידה של צבע תמונה לכרטיסייה בחירת טבלת צבעים .
      3. הזינו טווח סרגל קנה מידה מתאים (כלומר, ערך מזערי ומקסימלי) לתמונת KPFM VPD בכרטיסיה 'שינוי קנה מידה של נתונים' בחלון 'התאמת קנה מידה של צבע תמונה', ואחר כך לחצו (כלומר, ערך מזערי ומקסימלי). חזור על תהליך זה עבור תמונת הטופוגרפיה של AFM לאחר בחירה ראשונה (מחדש) בתמונה הממוזערת של ערוץ חיישן הגובה. שמור ייצוא איכות יומן של תמונת הטופוגרפיה המעובדת של AFM ומפת KPFM VPD כקבצי תמונה (לדוגמה, *.jpg, *.tif וכו').
2. פתח את תמונת הטופוגרפיה המעובדת של AFM ואת מפת KPFM VPD, יחד עם תמונת ה- SEM הגולמית, בתוכנת מניפולציית התמונה המועדפת עליך (ראה טבלת חומרים). זהה את המקור שצוין הן בנתוני AFM/KPFM והן בתמונות SEM (לדוגמה, SE, BSE, EDS, EBSD וכו'). שכבו את המקורות בשתי התמונות, ולאחר מכן יישרו את התמונות באופן סיבובי באמצעות צירי הקואורדינטות X ו- Y שצוינו על-ידי הסימנים או המאפיינים האופייניים שנבחרו. שנה את קנה המידה של התמונות לפי הצורך.
   הערה: תכונות הטופוגרפיה בתמונות AFM ו- SEM צריכות להתיישר זו עם זו ועשויות להתאים ל- KPFM ולמידע קומפוזיציוני (לדוגמה, תמונות BSE או מפות EDS) עקב שיעורי ליטוש דיפרנציאליים ו- VPD להרכבים שונים. בשעת כיסוי ויישור תמונות, לעתים קרובות כדאי להגדיל את השקיפות של התמונה העליונה (בשכבת-על).

Results

סגסוגת Mg בינארית: KPFM ו- SEM
הודות ליחסי החוזק-משקל המעולים שלהן, סגסוגות מגנזיום (Mg) מעניינות לשימוש באלקטרוניקה ניידת וכרכיבים מבניים ביישומי תחבורה כגון אופניים, מכוניות ומטוסים. בנוסף, סגסוגות Mg משמשות להגנה קתודית וכאנודות במערכות סוללות^33,34,35. Pure Mg אינו מסוגל ליצור סרט תחמוצת פסיבי ומגן בשל היותו דק מדי (יחס פילינג-בדוורת' של MgO הוא 0.81), מה שמביא לכך שהוא מתכת פעילה מאוד כאשר הוא מסגסוגת עם רוב החומרים המוליכים האחרים (פוטנציאל הפחתה של −2.372 V לעומת אלקטרודת המימן הסטנדרטית) ⁹. הכוח המניע העיקרי של קורוזיה מסגסוגת מגנזיום הוא הפעלה קתודית, שבה התגובה הקתודית משופרת על ידי פירוק אנודי²⁹. אחת הדרכים לעכב את התהליך הזה היא באמצעות מיקרו-אל-סגידה עם תוספות של מתכות שמאטות את תגובת האבולוציה הקתודית של המימן. מחקר משנת 2016 בחן את שילובו של גרמניום (Ge) כיסוד מיקרו-אל-סגסוגת כדי לייצר סגסוגת Mg^{בינארית 29}. KPFM הצביע על נוכחותם של אזורים בעלי פוטנציאל וולטה שונה וכמת את ה- VPDs המתאימים; עם זאת, תוצאה זו לבדה לא יכלה להבחין בהרכב היסודי של אזורים אלה. על-ידי לוקליזציה משותפת של KPFM עם BSE SEM (המספק ניגודיות יסודית המבוססת על מספר אטומי), כפי שמוצג על-ידי תמונות הכיסוי באיור 4, זוהו במדויק האצילות היחסיות (כלומר, אתרים של התנהגות אנודית/קתודית סבירה) של המטריצה ושל הפאזה המשנית Mg₂Ge. במהלך קורוזיה פעילה, השלב המשני Mg₂Ge נצפה כאתר מועדף להפחתה, אשר, בתורו, העביר את מנגנון הקורוזיה מקורוזיה נרחבת, דמוית פיליפורם על Mg להתקפה מופחתת באתרים מינימליים כאשר Ge נכלל, ובכך שיפר את ביצועי הקורוזיה של החומר.

Cu-Ag-Ti סגסוגת חזייה טרנרית: KPFM ו- SEM / EDS
Brazing היא חלופה בטמפרטורה נמוכה יותר לטכניקות נפוצות אחרות של חיבור מתכות כגון ריתוך³⁶. עם זאת, ביצועי המפרקים ואורך החיים שלהם עלולים להיפגע עקב הפרדת פאזות וקורוזיה גלוונית כתוצאה מכך בתוך החזייה³⁷, כפי שמוצג במחקר השוואתי על השימוש בחזיות Cu-Ag-Ti (CuSil) ו- Cu-Ag-In-Ti (InCuSil) כדי לחבר קופונים מפלדת אל-חלד 316L³⁰. איור 5 מראה אזור מייצג של מפרק חזייה Cu-Ag-Ti, שבו BSE SEM, EDS ו-KPFM שעברו לוקליזציה משותפת אישרו שהפאזה העשירה בכסף הייתה קתודית (כלומר, אצילית יותר מאשר) הפאזה העשירה בנחושת ב~60 mV, כאשר הפרדת פאזה זו ו-VPD הובילו בסופו של דבר להתחלת קורוזיה מיקרוגלוונית בתוך האזורים העשירים בנחושת של הברז. עם זאת, קופוני הנירוסטה 316L שמסביב ושכבת ההרטבה ההדדית טיטניום (Ti)³⁸ נצפו כאנודיים בפוטנציאל וולטה לשני שלבי סגסוגת הפליז השכנים. לפיכך, מטריצת הנירוסטה תהיה, בתיאוריה, תגובתית יותר (כלומר, מחומצנת בקלות רבה יותר) מאשר הברז. עם זאת, בתרחיש קורוזיה גלוונית, המקרה הגרוע ביותר הוא לקבל אנודה קטנה במגע עם קתודה גדולה, כמו שטח פנים קתודי גדול יותר יגרום פירוק אנודי מהיר. לעומת זאת, בתרחיש זה הכולל קופונים מפלדת אל-חלד אנודית 316L המחוברים לסגסוגת פליז קתודית, השילוב של אנודה גדולה יותר וקתודה קטנה יותר אמור לשמש להאטת קצב הקורוזיה הגלוונית.

סגסוגת Ti טרנרית דו-פאזית + בורון: KPFM ו-SEM/EDS
סגסוגת טיטניום מחושל עם 6 at. % אלומיניום ו-4 ב. % ונדיום (Ti-6Al-4V, או Ti64) הוא סגסוגת מבנית אטרקטיבית בשל יחס חוזק-משקל גבוה ועמידות מעולה בפני קורוזיה 39,40,41. בפרט, Ti64 מוצא שימוש בשתלים והתקנים ביו-רפואיים בשל התאימות הביולוגית שלו^42,43,44. עם זאת, מכיוון ש-Ti64 נוקשה יותר מעצם, הוא עלול להוביל להידרדרות העצם ולהיצמדות לקויה של השתלים כאשר משתמשים בו לתחליפי מפרקים. תוספות של בורון (B), שיש לו מגבלת מסיסות של ~0.02 ב. % ב- Ti64, נחקרו כדי לכוונן את התכונות המכניות של Ti64 כדי לחקות בצורה קרובה יותר את אלה של עצם³¹. עם זאת, תוספות בורון כאלה עלולות לגרום לרגישות מוגברת של הסגסוגת לקורוזיה, במיוחד כאשר הן נתונות למגע ממושך עם פלסמה בדם כמו במקרה של שתלים ביו-רפואיים כגון החלפות מפרקים. איור 6 מציג מפות KPFM, BSE SEM ו-EDS שעברו לוקליזציה משותפת של מדגם Ti64 + 0.43% B. ניתן להבחין בין מחטי ה-TiB העשירות בבורון (איור 6A ואיור 6D) המופיעות מעל נקודת הרוויה של בורון לבין מטריצת האלפא (α) של Al-rich Ti64 (איור 6C) ושלב הבטא (β) העשיר ב-V המחוברים זה לזה, כאשר מחטי ה-TiB מופיעות בפוטנציאל וולטה מעט גבוה יותר (כלומר, אצילי יותר) (בהיר יותר באיור 6B) מאשר שלב³¹ β. איור 7 ממחיש את העובדה ש-KPFM רגיש יותר בפני השטח באופן משמעותי מ-SEM בשל הבדלים בעומק החדירה ובנפח הדגימה של שתי הטכניקות. באופן ספציפי, היווצרותה של תחמוצת פסיבינג בעובי של כמה ננומטרים על משטח הסגסוגת עם חשיפה לתמיסה המחקה פלזמה אנושית והמחזוריות הפוטנציודינמית שלאחר מכן (פרוטוקול בדיקה סטנדרטי ASTM F2129-15 לקביעת רגישות הקורוזיה של התקני שתלים) הביאה למדידת פוטנציאל פני שטח אחיד יחסית (איור 7B) למרות המיקרו-מבנה התת-קרקעי שנותר גלוי בתמונת BSE SEM (איור 7A) ובמפות EDS (איור 7C ). לעומת זאת, לאחר הכפפת דגימות Ti64 לתנאי קורוזיה מאולצים (כלומר, ריכוז מלח גבוה ופוטנציאל אנודי קיצוני), ניתן היה להשתמש ב-KPFM, BSE SEM ו-EDS שעברו שיתוף פעולה כדי לבחון הבדלים בהתנהגות הקורוזיה עבור דגימות בור בריכוז נמוך (0.04% B) לעומת ריכוז גבוה (1.09% B) (איור 8).

סגסוגת Ti טרנרית מודפסת בתלת-ממד: KPFM ו-SEM/EBSD
לייצור תוספים (AM) של מתכות וסגסוגות מתכת יש פוטנציאל לייצר חלקים זולים ומהירים יותר, עם צורות מורכבות יותר ושליטה על מיקרו-מבנה ותכונות⁴⁵. אחד החומרים המובילים המשמשים ב- AM הוא Ti64, כפי שתואר לעיל. בדומה ל-Ti64 המחושל, AM Ti64 מכיל שתי פאזות, פאזה α עשירה ב-Al יציבה מבחינה תרמודינמית ופאזת β עשירה ב-V יציבה, כאשר כל פאזה מציגה מגוון של כיוונים קריסטלוגרפיים. תלוי באיזה פאזה וכיוונים קריסטלוגרפיים נמצאים על פני השטח, תכונות הקורוזיה של החלק המודפס יושפעו. איור 2 מציג תמונות AFM/KPFM, SEM (הן SE ו-BSE) ו-EBSD (הן בשלב α והן בשלב β) של AM Ti64 שהופקו באמצעות היתוך אבקת המסת אלומת אלקטרונים ולאחר מכן לחיצה איזוסטטית חמה (HIP)³². הכיוון הקריסטלוגרפי של גרגרים שונים כפי שנחשף על ידי EBSD היה מקומי עם KPFM VPDs כדי לקבוע אילו אוריינטציות עשויות להשפיע על תכונות הקורוזיה של AM Ti64, כך שניתן לכוונן פרמטרים של תהליך בנייה כדי להפחית כיוונים או פאזות לא אידיאליים. הטופוגרפיה (איור 2E) וה-VPD (איור 2F) שנרכשו על-ידי KPFM מכסות את שטח הריבוע הגדול והמסובב מעט המתוחם על-ידי הקווים הלבנים המנוקדים במפות SEM (איור 2A,B) ו-EBSD (איור 2C,D). איור 9 מתקרב לאזור שתוארו על-ידי המלבנים הלבנים המוצקים באיור 2A-D, ומראה שה-VPD שנמדד בעת מעבר לגבול גרגרים של α-α תלוי בכיוונים הקריסטלוגרפיים היחסיים של שני הגרגרים. בנוסף, גבולות פאזה α-β הציגו VPD יחסי השווה או גדול מגבולות α-α בעלי כיוון גרגר שונה. זה חשוב, שכן שיפוע פוטנציאלי וולטה גבוה יותר יגרום תיאורטית לשיעורי קורוזיה בין-גרנולריים גדולים יותר בשל כוח ההנעה המיקרוגלווני המוגבר, מה שמרמז על הצורך למזער את מספר גרגרי β ואת נקודות המגע שלהם עם α laths.

ניתוח חתך של סגסוגות Zr לחיפוי גרעיני: KPFM, SEM וראמן
זירקוניום (Zr) וסגסוגותיו משמשים בדרך כלל כחיפוי ביישומים גרעיניים בגלל חתך בליעת הנייטרונים הנמוכה שלהם ועמידות בפני קורוזיה בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, בשל מגוון מנגנוני השפלה פוטנציאליים, כולל "תופעת הפריצה", התפשטות הנגרמת על ידי הידריד, ואינטראקציות שונות של חיפוי כדורים, ניתן לקצר באופן דרסטי את חיי הזירקוניום, וכתוצאה מכך הסיכון לכשל בכור גרעיני⁴⁶. לפיכך, מנגנוני פירוק סגסוגת זירקוניום נחקרו על ידי לוקליזציה משותפת של KPFM, SEM ומיקרוסקופיית ראמאן סריקה קונפוקלית (שיכולה לחשוף הבדלים במבנה הגביש בהתבסס על ספקטרום ראמאן) ⁴⁷. כאן נצפה מתאם בין מבנה גבישי תחמוצת זירקוניום (מונוקליני לעומת טטרגונלי) לבין פוטנציאל וולטה יחסי. באופן ספציפי, תחמוצת זירקוניום עשירה בטטרגונל (t-ZrO 2) הממוקמת באופן מועדף ליד ממשק תחמוצת המתכת (מסומנת על ידי הקו המקווקו האנכי בלוחות הימניים של איור 10A-C ואיור 10E-G) נמצאה פעילה יותר באופן משמעותי (כלומר, בעלת סיכוי גבוה יותר להתחמצן/קורודה) בהשוואה לתחמוצת זירקוניום מונוקלינית עשירה יותר בתפזורת של ~600 mV (m-ZrO ₂ ). ניתן לראות זאת בחתכי קו ה-VPD והאחוזים הטטרגונליות לרוחב ממשק ZrO₂/Zr באיור 10A-C. יתר על כן, אזור t-ZrO₂ התגלה גם כפעיל מעט יחסית למצע המתכת (איור 10A), וכתוצאה מכך נוצר אזור צומת p-n כשלב נוסף בחמצון המוגבל בדיפוזיה של זירקוניום.

עדות נוספת לתועלת של KPFM ולוקליזציה משותפת עם טכניקות אפיון משלימות נראית גם בעבודה זו. אפילו במתכת Zr "טהורה" נומינלית, חלק מזיהומי ברזל קורט נשארים נוכחים לאחר העיבוד, וכתוצאה מכך חלקיקי פאזה משניים עשירים בברזל (SPPs עשירים ב-Fe). זה נצפה באמצעות KPFM וסריקה של מיפוי ספקטרלי של ראמאן קונפוקלי, כאשר העלייה הגדולה בפוטנציאל וולטה היחסי המתאים לחלקיק הקתודי הבהיר הנראה באיור 10E מתואמת עם שינוי משמעותי בספקטרום ראמאן (איור 10F,G). בתחילה הניחו שהחלקיק הקתודי הזה הוא SPP עשיר ב-Fe, אך EDS לא הצליח לספק אישור לנוכחות הברזל במקרה זה (איור 10H). עם זאת, עבור הנתונים המוצגים באיור 10, KPFM בוצע תחילה, לאחר מכן מיפוי ראמאן, ולבסוף SEM/EDS. למרבה הצער, נזק לקרן לייזר (כולל אבלציה/הסרה של SPPs) אפשרי במהלך מיפוי ראמאן בהתאם לעוצמת הלייזר של האירוע, מה שעשוי להפוך את זיהוי ה-SPPs באמצעות EDS לאחר מכן לבלתי אפשרי. ההשפעה ההרסנית של לייזר העירור של ראמאן אושרה כאן על ידי הסרת מיפוי ראמאן מתהליך האפיון הרציף, מה שהוביל לזיהוי מוצלח של SPPs עשירים ב-Fe וה-VPD המוגדל המתאים שלהם ביחס למטריצת Zr המקיפה אותם על ידי KPFM ו-SEM/EDS שעברו לוקליזציה משותפת (עיגולים אדומים באיור 11A,B ). זה מדגיש את החשיבות של הסדר שבו משתמש משתמש בטכניקות אפיון מקומיות משותפות, שכן כלים מסוימים נוטים יותר להיות הרסניים או להשפיע על פני השטח. באופן ספציפי, בעוד ש-KPFM אינו הרסני, ביצוע ניתוח Raman או SEM/EDS לפני KPFM יכול להשפיע על המדידות הפוטנציאליות של וולטה^{שהתקבלו ב-18,28.} לכן, מומלץ מאוד לבצע תחילה את KPFM בעת לוקליזציה משותפת עם טכניקות רגישות יותר למשטח שעלולות להזיק.

איור 4: לוקליזציה משותפת של KPFM ו-BSE SEM. (A) תמונות BSE SEM ו-KPFM בשכבת-על של סגסוגת Mg-0.3Ge בינארית, (B) זום של מפת פוטנציאל KPFM Volta בשכבת-על ב-A המציגה את הפוטנציאלים היחסיים של הפאזה המשנית Mg₂Ge (בהירה יותר, אצילית יותר) ומטריצה (כהה יותר), ו-(C) נתוני סריקת קו עבור פוטנציאל וולטה המתאים לאזור הקו המקווקו ב-B מראה את הפרש הפוטנציאל של ~ 400 mV בין המטריצה לבין השלב המשני Mg₂Ge. נתון זה מועתק מתוך Liu et ^al.29. סרגלי קנה מידה = (A) 10 מיקרומטר, (B) 5 מיקרומטר. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 5: לוקליזציה משותפת של KPFM, BSE SEM ו-EDS. (A) תמונת BSE SEM של דגימת חזייה של Cu-Ag-Ti (CuSil) ו-(B) תמונת פוטנציאל פני שטח KPFM תואמת מקומית. כמו כן מוצגות מפות יסוד EDS של האזור הזהה של הסגסוגת הטרנרית עבור (C) תוסף הרטבה טיטניום (Ti), (D) נחושת (Cu) ו- (E) כסף (Ag). סרגלי קנה מידה = 10 מיקרומטר. נתון זה מועתק מתוך Kvryan et ^al.30. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; EDS = ספקטרוסקופיה של פיזור אנרגיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 6: לוקליזציה משותפת של KPFM, BSE SEM ו-EDS בסגסוגת שונה. תמונות משותפות של BSE SEM ו-(B) KPFM של Ti-6Al-4V מסגסוגת עם 0.43% B המציגות היווצרות של מחטים עשירות בבורון, עם מפות EDS תואמות של (C) אלומיניום (Al) ו-(D) בורון (B). תיבה אדומה בתמונת SEM מציינת את המיקום של סריקת KPFM. פסי קנה מידה = (A,C,D) 40 מיקרומטר, (B) 20 מיקרומטר. נתון זה מעובד מתוך Davis et ^al.31. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; EDS = ספקטרוסקופיה של פיזור אנרגיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 7: פסיבציה של פני השטח ועומק ההדמיה הדיפרנציאלית של KPFM לעומת BSE SEM ו-EDS. תמונות BSE SEM ו-(B) KPFM שעברו לוקליזציה משותפת (A) של דגימת Ti-6Al-4V + 1.09% B הכפופות לפרוטוקול הבדיקה ASTM F2129-15. היווצרותה של שכבה פסיבית דקה הביאה לפוטנציאל פני שטח אחיד יותר כפי שנמדד על-ידי KPFM בהשוואה לדגימות שלא היו נתונות לפרוטוקול הבדיקה ASTM F2129-15 (ראו איור 6). מפות BSE SEM ו-(C) EDS (אלומיניום, Al; ונדיום, V; בורון, B) אישרו את הרכב הפאזה של המיקרו-מבנה מתחת לסרט הפסיבי ואת היעדר התקפת קורוזיה ניכרת. תיבה אדומה בתמונת SEM מציינת את המיקום המשוער של סריקת KPFM המתאימה. פסי קנה מידה = (A) 40 מיקרומטר, (C–E) 25 מ"מ, (B) 20 מיקרומטר. נתון זה מועתק מתוך Davis et ^al.31. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; EDS = ספקטרוסקופיה של פיזור אנרגיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 8: עדות לקורוזיה מועדפת. (A,B) טופוגרפיה של AFM ו-(C,D) תמונות BSE SEM של (A,C,E) 0.04% B ו-(B,D,F) 1.09% B Ti-6Al-4V עם מפות תואמות (E) אלומיניום (Al) וחמצן (O) ו-(F) בורון (B) וחמצן (O) EDS. תיבות אדומות בתמונות SEM (C,D) מציינות את המיקום המשוער של (A,B) תמונות ה-AFM המתאימות. (א,ב) פיטינג הנראה בתמונות הטופוגרפיה של AFM מראה כי קורוזיה התרחשה באופן מועדף בתוך שלב β המטא-יציב העשיר בוונדיום למרות פוטנציאל וולטה הגבוה יותר שלו. (ב,ד,ו) שימו לב גם שדגימת תכולת הבור הגבוהה יותר הציגה באופן משמעותי פחות פיטינג (ורדוד יותר). פסי קנה מידה = (A,B) 20 מיקרומטר, (E-H) 25 מ"מ, (C,D) 40 מיקרומטר. נתון זה מועתק מתוך Davis et ^al.31. קיצורים: AFM = מיקרוסקופיה של כוח אטומי; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; EDS = ספקטרוסקופיה של פיזור אנרגיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 9: לוקליזציה משותפת של KPFM, BSE SEM ו-EBSD. ניתוח מפורט של SEM ו-KPFM של השטח שהוגדר על-ידי המלבן המוצק באיור 2. טכניקה לאפיון α לאתוס על ידי איתור משותף: (A) הדמיית BSE, (B) חיישן גובה AFM (טופוגרפיה), (C) EBSD (קווים לבנים מציינים גבולות פאזה α-β, קווים שחורים מייעדים גבולות גרגרים מוגדרים) ו-(D) פוטנציאל KPFM וולטה. התוצאות מסריקות קו על-פני היפר-מפות שצוינו על-ידי החצים הלבנים ב-A-D מוצגות עבור (E) EBSD ו-(F) KPFM Volta פוטנציאלי. (G) סיכומים של הבדלים יחסיים בפוטנציאל וולטה מוצגים עבור שלושה סוגים של מדידות: i) בתוך α אחת lath, ii) על פני גבולות α-α של כיוון גרגר דומה ו- iii) על פני גבולות α-α של כיוון תבואה שונה. (H) טווחים של פוטנציאל וולטה עבור כיוונים שונים של β מראש (סטיית תקן אחת מוצגת). סרגלי קנה מידה = (A-D) 5 מיקרומטר. נתון זה מועתק מ- Benzing et ^al.32. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; AFM = מיקרוסקופיה של כוח אטומי; EBSD = עקיפה אחורית של אלקטרונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 10: לוקליזציה משותפת של KPFM, מיקרוסקופיית ראמאן, BSE SEM ו-EDS. לוקליזציה משותפת של KPFM, מיקרוסקופיית ראמאן ו-SEM/EDS עבור סגסוגת Zr-2.65Nb מחומצנת וחתך רוחב (A-D) ו-Zr טהור (E-H). מלמעלה למטה: (A,E) מפות פוטנציאליות של KPFM Volta (משמאל) עם סריקות קו VPD מייצגות תואמות (מימין), (B,F) אחוז טטרגונליות ו-(C,G) מפות מיקום שיא ZrO2 מונוקליניות (המעידות על לחץ דחיסה) שנקבעו באמצעות מיפוי ראמאן עם סריקות קו מייצגות תואמות, ותמונות SEM (D,H) עם מפות EDS תואמות וסריקות קו מייצגות. בכל המקרים, מיקומי סריקות הקו מסומנים על ידי חצים לבנים בתמונות המדגם המתאימות. סרגלי קנה מידה = (A) 10 מיקרומטר, (D) 50 מיקרומטר, (E) 6 מיקרומטר, (H) 20 מיקרומטר. נתון זה מעובד מתוך Efaw et ^al.47. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; EDS = ספקטרוסקופיה של פיזור אנרגיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 11: לוקליזציה משותפת של KPFM, BSE SEM ו-EDS ללא מיקרוסקופיה של ראמאן. לוקליזציה משותפת של (A) מפות גובה KPFM (למעלה) ופוטנציאל וולטה (למטה) עם (B) SEM (למעלה) וניתוח יסודות EDS (למטה) על דגימה בחתך רוחב של Zr טהור מחומצן (טרום פרידה). האזור שבו בוצע KPFM מסומן על ידי מלבן כתום קו מקווקו בתמונת SEM בפינה הימנית העליונה, בעוד שהעיגולים האדומים במפות הפוטנציאל KPFM Volta ו- EDS Fe מציינים את המתאם בין אזורי VPD גבוהים לבין חלקיקים עשירים ב- Fe. פסי קנה מידה = (A) 8 מיקרומטר, (B) 25 מיקרומטר. נתון זה מועתק מתוך Efaw et ^al.47. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; SEM = מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת; BSE = אלקטרון מפוזר בחזרה; EDS = ספקטרוסקופיה של פיזור אנרגיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

חומר משלים: נוהל הפעלה סטנדרטי למיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

מכיוון ש-KPFM מודדת טופוגרפיה של פני השטח ו-VPD ברזולוציה ננומטרית, הכנת דגימות היא חיונית לקבלת תמונות KPFM באיכות גבוהה. שלבי הליטוש המדורגים היטב שנדונו בסעיף הפרוטוקול הם נקודת התחלה אופטימלית להשגת גימור משטח סופי באיכות גבוהה עבור סגסוגות מתכת. בנוסף, בחינת המשטח לאחר כל שלב ליטוש באמצעות מיקרוסקופ אופטי יכולה לאשר שיפור באיכות פני השטח (למשל, הקטנת מספר, גודל ועומק של שריטות נראות לעין), בעוד שגימור עם מלטש רטט יציע את איכות המשטח הסופית הטובה ביותר. לבסוף, יש לשקול תאימות ממס עם המדגם סוכן הרכבה בעת בחירת תרכובות ליטוש ושיטות ניקוי. בנוסף להכנת דגימה מדוקדקת, לוקליזציה משותפת של טכניקות אפיון שונות דורשת שימוש בהפניה משותפת (כלומר, סימן פידוקיאלי) כדי לציין את מיקום המקור ואת צירי הקואורדינטות XY (כלומר, כיוון/סיבוב הדגימה) ^6,7,32. ישנן מגוון שיטות אפשריות להשיג זאת. השיטה הפשוטה ביותר היא לזהות על פני השטח תכונות מובחנות מראש שניתן לראותן בעין או בעזרת מיקרוסקופ אופטי. כדי ששיטה זו תעבוד, התכונה צריכה להיות בעלת נקודת מוצא מוגדרת היטב וניתנת לזיהוי בקלות (למשל, פינה או בליטה) ולהציג אוריינטציה ברורה. דגימת החזייה של CuSil המתוארת כאן הדגימה תכונות בקנה מידה של מיקרון העונות על הדרישות האלה, מה שהופך את לוקליזציה משותפת לפשוטה (איור 1 ואיור 5) ³⁰. יתר על כן, הצבעים הבולטים הייחודיים של שני האזורים המופרדים בפאזה סיפקו תובנה לגבי הרכבם (כלומר, נחושת לעומת כסף עשיר). אולי השיטה הטובה ביותר, הניתנת לשחזור ביותר ליצירת סימנים פידוקיאליים היא ננו-אינדנטנציה, אם כי הדבר דורש גישה לננו-אינדנטר עצמאי או למערכת ננו-אינדנטר משולבת AFM. ניתן לסדר ננו-שקעים במגוון דרכים, אך הברור ביותר הוא להשתמש בכניסת כניסה אחת כמקור ובשתי כניסות נוספות המיושרות לאורך צירים אורתוגונליים כדי לציין את כיווני X ו- Y מהמקור, כפי שמוצג בדוגמה AM Ti64 (איור 2) ³². לבסוף, ניתן ליצור סימני נאמנות גם על ידי גירוד או סימון המשטח (למשל, עם סופר יהלום, סכין גילוח או קצה בדיקה מיקרומניפולטור; או דיו בל יימחה או סמן קבוע). שריטות יכולות להועיל כאשר תכונות משטח נפרדות ו/או ננו-ננו-אינדנטר אינן זמינות; עם זאת, שיטות אלה עלולות לגרום לבעיות, במיוחד כאשר בוחנים תכונות קורוזיה (למשל, שריטה עלולה לפגוע בפני השטח ולגרום לו להיות רגיש לקורוזיה). אם משתמשים בשריטה, יש למקם את השריטה קצת יותר רחוק מהמשטח הנבדק כדי להבטיח שהשריטה לא תשפיע על תוצאות הניסוי. כמו כן, זיהום מהדיו עלול להשפיע על ביצועי הקורוזיה, ולכן נעשה שימוש טוב יותר בשיטות אלה כאשר חוקרים תכונות חומרים שאינן קורוזיה.

מכיוון שכימות ה- VPD ב- KPFM תלוי ביישום הן של הטיית AC והן של פוטנציאל ביטול DC, הנתיב ממשטח הדגימה לצ'אק AFM חייב להיות רציף מבחינה חשמלית. לכן, אם הדגימה מבודדת איכשהו חשמלית מהצ'אק (למשל, יש לה ציפוי תחמוצת אחורית, מופקדת על מצע שאינו מוליך, או מכוסה על ידי אפוקסי), אז יהיה צורך לבצע חיבור. פתרון אחד הוא להשתמש במשחת כסף (ראו טבלת חומרים) כדי לצייר קו מהמשטח העליון של הדגימה אל הצ'אק, ולהבטיח שלקו אין הפסקות והוא יבש לחלוטין לפני ההדמיה. סרט נחושת או סרט פחמן מוליך יכול לשמש גם ליצירת חיבור חשמלי דומה. ללא קשר לשיטה המשמשת ליצירת החיבור החשמלי, יש לבדוק את רציפות דגימת הצ'אק עם מולטימטר לפני הדמיית KPFM.

חמצון או זיהום של משטח מתכת מוביל לשינויים דרסטיים ב- VPDs נמדדים. מזעור כמות החמצן שהדגימה באה איתה במגע יכול להאט את הפסיבציה או ההתפרקות של פני השטח. אחת הדרכים למנוע חמצון היא על ידי הצבת ה-AFM בתא כפפות אטמוספירה אינרטי. על-ידי החלפת הסביבה העשירה בחמצן בגז אינרטי כמו ארגון או חנקן, משטח הדגימה יכול להישמר במצב בתולי יחסית למשך תקופה ממושכת (איור 3). יתרון נוסף של שימוש בתא כפפות הוא חיסול מים עיליים, אשר יכול להכניס מזהמים מומסים, להאיץ קורוזיה או פסיבציה, ולפגוע ברזולוציה בשל הצורך בהגבהים גבוהים יותר (ראה להלן). בנוסף, הוכח כי ה-VPD שנמדד רגיש ללחות היחסית^15,23, ולכן חשוב לנטר (ולדווח באופן אידיאלי) על הלחות היחסית אם ניסויי KPFM מבוצעים בתנאי סביבה.

בהתאם ל-AFM שבו נעשה שימוש (ראה טבלת החומרים) ולמצב היישום של KPFM, הפרמטרים והמינוח הזמינים להדמיה ישתנו. עם זאת, ניתן לנסח כמה הנחיות כלליות. KPFM משלבת טופוגרפיה של AFM עם מדידות VPD. לפיכך, תמונה טופוגרפית טובה היא צעד ראשון חיוני, עם נקודת הגדרה שנבחרה כדי למזער את כוח דגימת הקצה (ומכאן, את הפוטנציאל לשחיקת קצה ונזק לדגימה) תוך שמירה על מעקב בנאמנות גבוהה אחר הטופוגרפיה (באמצעות אופטימיזציה של יחסי הגומלין בין הרווחים ונקודת ההתחלה). במילים אחרות, ללא קשר למצב ההדמיה הטופוגרפית, על המשתמש לקבוע איזון בין אינטראקציה מספקת עם המשטח מבלי לפגוע בדגימה או בבדיקה (במיוחד אם היא מצופה מתכת). בנוסף, אם הדגימה מלוכלכת או לא מלוטשת היטב, קצה הבדיקה עלול לבוא במגע עם פסולת, וכתוצאה מכך קצה שבור או קצה חפצים. כמו כן, חובה להימנע מממצאים טופוגרפיים בערוץ הפוטנציאלי KPFM Volta, אשר מושג בקלות רבה יותר במצב KPFM כפול כמו זה המתואר כאן. הדמיית KPFM אופטימלית דורשת איזון בין גובה הרמה נמוך וגבוה יותר, מכיוון שהרזולוציה הרוחבית של KPFM פוחתת עם העלייה בגובה ההרמה, אך כוחות ואן דר ואלס קצרי הטווח (האחראים לאינטראקציות קצה-דגימה העומדות בבסיס מדידות טופוגרפיות של AFM) יכולים ליצור אי-יציבות המשפיעה על מדידת האינטראקציה האלקטרוסטטית ארוכת הטווח בגבהים נמוכים יותר. עבודה בתא כפפות אטמוספירה אינרטי כמתואר לעיל יכולה להועיל בהקשר זה, שכן חיסול שכבת המים העיליים מסיר את תרומתה לאינטראקציה בין טיפ-דגימה לקבלת משוב משופר, ובכך מאפשר גבהי הרמה נמוכים יותר של KPFM ורזולוציה מרחבית משופרת, עם היתרון הנוסף של VPDs הניתנים לשחזור יותר עקב לחות קבועה (למעשה אפס) וסינון טעינה מופחת. באופן דומה, ירידה בחספוס פני השטח (כלומר, ליטוש טוב יותר) יכולה לאפשר גובה הרמה נמוך יותר ולגרום לרזולוציית KPFM משופרת, שכן כלל אצבע טוב כדי להימנע מממצאים טופוגרפיים הוא להגדיר את גובה ההרמה שווה בערך לגובה של תכונות המשטח הגבוהות ביותר ביחס גובה-רוחב גבוה הקיימות באזור הסריקה. גורם נוסף שנכנס לפעולה בקביעת גובה ההרמה האופטימלי הוא משרעת תנודות הבדיקה במהלך מצב ההרמה משרעת גדולה יותר מקנה רגישות רבה יותר ל- VPDs קטנים, אך במחיר של צורך בגבהי הרמה גדולים יותר כדי להימנע מממצאים טופוגרפיים או פגיעה במשטח (לעתים קרובות נראים כקוצים פתאומיים בשלב סריקת ההרמה). שוב, ככל שהמשטח חלק יותר, כך גובה ההרמה שניתן להשיג עבור משרעת תנודה נתונה נמוך יותר, ובכך לשפר הן את הרזולוציה המרחבית והן את פוטנציאל הרגישות של וולטה - הכנת דגימה טובה היא המפתח. לבסוף, בעת לכידת תמונת KPFM, יש לזכור כי גודל סריקה גדול יותר מאפשר כיסוי דגימה גדול יותר אך במחיר של זמן סריקה מוגבר, שכן נדרשים קצבי סריקה איטיים כדי לאפשר מדידה מדויקת של פוטנציאלי וולטה על ידי אלקטרוניקת הגילוי.

הסקה לגבי האצילות היחסית של מיקרו-מבנים שנצפו על פני השטח של חומר מוליך יכולה להיעשות מ- VPDs שנמדדו באמצעות KPFM (למשל, זוגות מיקרוגלווניים, קורוזיה בין-גרנולית, קורוזיה מגרדת). עם זאת, פוטנציאל וולטה מוחלט של חומרים המדווחים בספרות משתנה במידה רבה 18,24,27. חוסר יכולת שכפול זה הביא לפרשנויות שגויות לגבי מערכות חומרים שונות והתנהגות הקורוזיה שלהם^23,25. כתוצאה מכך, לצורך קביעת פוטנציאלי וולטה מוחלטים (כלומר, פונקציות עבודה) או השוואה של VPDs שנמדדו במעבדות, גשושיות או ימים, כיול פונקציית העבודה של הגשושית KPFM ביחס לחומר אינרטי (למשל, זהב) הוא^{חיוני 25,48}. מחקר שנערך בשנת 2019 על ידי חלק מהמחברים בחן בדיקות KPFM שונות והראה את השונות של ה-VPD שנמדד כתוצאה מכך בין בדיקות אלה לבין תקן אלומיניום-סיליקון-זהב (Al-Si-Au). הבדלים בתפקוד העבודה נצפו אפילו עבור בדיקות בודדות של אותו חומר נומינלי ואותו עיצוב (איור 12)²⁵. כהוכחת היתכנות, פלדת אל-חלד 316L שחוברה יחד על ידי חזיית CuSil שהוזכרה קודם לכן שימשה כחומר מופתי למדידת VPDs מוחלטים או פונקציות עבודה. הנתונים מהעבודה של Kvryan et ^al.30 מ-2016 הושוו ל-KPFM VPDs שהתקבלו על אותה דגימה עם מגוון בדיקות ושימשו לניתוח הפוטנציאלים של וולטה הפנימית. על-ידי כיול פונקציית עבודת הבדיקה באמצעות החלק Au של תקן Al-Si-Au כפונקציית עבודת ייחוס, יכולת החזרה של ה-VPD הנמדד של פאזות החזייה השתפרה ביותר מסדר גודל, מכמה מאות מילי-וולטים (איור 12A) לעשרות מילי-וולטים (איור 12C). שיפורים נוספים בכיול יכולים להתממש על ידי מדידה ישירה של פונקציית העבודה של הייחוס האינרטיבי (למשל, באמצעות ספקטרוסקופיית פוטו-פליטה או ספקטרוסקופיית אלקטרונים של אוגר) או חישוב פונקציית העבודה באמצעות תורת פונקציית הצפיפות^25,48.

איור 12: השפעת כיול הגשושית על יכולת השכפול הפוטנציאלית של KPFM וולטה . (A) VPDs עבור אזורים עשירים בנחושת וכסף בתוך דגימת הברז CuSil המתקבלת ביחס לשלוש בדיקות PFQNE-AL שונות. (B) VPDs עבור אותן שלוש גשושיות ביחס לחלק הזהב של תקן Al-Si-Au המוצג על ציר האורדינציה השמאלי, עם ערכי פונקציית עבודה PFQNE-AL שהשתנו כתוצאה מכך המוצגים על ציר האורדינט הימני, כפי שחושב מתורת פונקציית הצפיפות. (C) VPDs מוחלטים של האזורים העשירים בנחושת ובכסף המתקבלים על ידי שינוי קנה המידה של ה-VPDs הנמדדים ביחס לזהב של תקן Al-Si-Au שצולם לפני ההדמיה של דגימת החזייה. ציר האורדינציה השמאלי (המחושב באמצעות המשוואה שמעל לוח C) מציין את ה-VPD בין פאזות דגימת הברז לבין תקן הזהב. ציר האורדינציה הימני (המחושב באמצעות המשוואה שמתחת ללוח C) מציג את פונקציית העבודה שהשתנתה כתוצאה מכך עבור כל פאזה בהתבסס על פונקציית העבודה המתוקנת של הגשושית המחושבת בחלונית B. נתון זה מועתק מתוך Efaw et ^al.25. קיצורים: KPFM = מיקרוסקופיית כוח בדיקה של קלווין; VPD = הפרש פוטנציאלי וולטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

לסיכום, לוקליזציה משותפת של מפות פוטנציאליות KPFM Volta עם טכניקות SEM מתקדמות, כולל תמונות SE, תמונות BSE, מפות קומפוזיציה אלמנטליות של EDS ודמויות מוט הופכי EBSD יכולה לספק תובנה לגבי יחסי מבנה-מאפיין-ביצועים. כמו כן, טכניקות אפיון אחרות של ננו-עד מיקרו-קנה מידה, כגון סריקת מיקרוסקופיית ראמאן קונפוקלית, יכולות להיות מחוברות גם הן למיקום משותף כדי לספק תובנה מבנית נוספת. עם זאת, בעת לוקליזציה משותפת של כלי אפיון מרובים, הכנת הדגימה היא חיונית, כולל מזעור חספוס פני השטח ופסולת, כמו גם זיהוי או יצירה של סמנים פידוקיאליים אמינים כדי לציין את מקור הדמיית הדגימה ואת הצירים (כלומר, כיוון או סיבוב). בנוסף, יש לקחת בחשבון את ההשפעה הפוטנציאלית של טכניקת אפיון נתונה על מדידות עוקבות, ומסיבה זו עדיף ש-KPFM (שהוא גם לא הרסני וגם רגיש מאוד לזיהום פני השטח) יבוצע קודם לפני שיטות אפיון אחרות. לבסוף, חשוב למזער מזהמים על פני השטח, לקחת בחשבון ולנטר (או יותר טוב, לחסל) את ההשפעות המבלבלות של סביבת הבדיקה (למשל, לחות הסביבה), ולכייל כראוי את פונקציית העבודה של בדיקת KPFM כדי לאפשר השוואה אמינה ומשמעותית של מדידות פוטנציאליות של KPFM Volta המדווחות בספרות. לשם כך, מומלץ להשתמש בתא כפפות אטמוספירה אינרטי לאחסון מערכת AFM (או, אם אינו זמין, שימוש בצורה אחרת של בקרת לחות / סביבה עם לחות נמוכה) ותקן זהב או חומר ייחוס אינרטי אחר עם פונקציית עבודה מאופיינת היטב לכיול בדיקה.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מיקרוסקופ כוח אטומי	Bruker	Dimension Icon	משתמש בתוכנת בקרת ננוסקופ, מודול PF-KPFM / מפתח מופעל
פוליש סיליקה קולואידית	Leco	812-121-300	שוחק: 0.08 μ מ '(80 ננומטר). משמש כפוליש גימור למתכות. נהדר בעת הכנת דוגמאות לביצוע EBSD ברזולוציה גבוהה.
צבע כסף מוליך, Pelco	Ted Pella	16062	ניתן להשתמש במוצרים אחרים בעלי מוליכות דומה (למשל, Pelco #16031 או 16034), אך מוצר זה משלב ייבוש סביבתי מהיר, VOC נמוך, חוזק מכני גבוה, ניקוי/הסרה קלה ועמידות נמוכה יחסית: https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx
תמיסת יהלום	Buehler	MetaDi Supreme, מתלה דיאמון פולי-קריסטלי	שלבים אחרונים בליטוש המדגם. התחל עם 1 μ m, ואז לעבור ל-0.05 μ מ '(50 ננומטר).
מולטימטר דיגיטלי	Fluke	Fluke 21 מולטימטר	לבדיקת המשכיות משלב ה-AFM/צ'אק למשטח הדגימה, אישור הארקה והטיה נכונה וכו'.
אפוקסי	Buehler	EpoThin 2	יחס 4:1 של שרף למקשה. מעורבבים יחד ומשמשים להרכבת דוגמאות כדי לסייע בליטוש וניסויים.
אתנול	סיגמא אולדריץ'	459828	200 הוכחה, דרגה ספקטרופוטומטרית. משמש לניקוי דגימות לאחר ליטוש ו/או לפני הדמיה.
תא כפפות, אווירה אינרטית	MBraun	LabMaster Pro MB200B + MB20G יחידת טיהור גז	עיצוב מותאם אישית (הזנות חשמליות אטומות לדליפה, בידוד רעידות, רעש אקוסטי ומזעור זרם אוויר וכו') ועומק לשימוש עם Bruker Dimension Icon AFM, 3 כפפות, אווירת ארגון
תוכנת חפיפת תמונות	Microsoft	PowerPoint	ניתן להשתמש במוצרי תוכנה אחרים לפי הצורך בהתאם לידע המשתמש. יכולות התוכנה החיוניות הדרושות הן תרגום, סיבוב ושינוי קנה מידה של תמונות, כמו גם התאמה אידיאלית של שקיפות התמונה במהלך שכבת-על של תמונות KPFM / מיקרוסקופיה אחרות.
בדיקת KPFM	Bruker	PFQNE-AL	ניסו גם בדיקות Bruker SCM-PIT ו-SCM-PIC, כמו גם בדיקות Pt מוצקות מבית Rocky Mountain Nanotechnology, אך מצאו בדיקות PFQNE-AL המספקות ביצועים מעולים
בתקן KPFM	Bruker	PFKPFM-SMPL	8 מ"מ x 8 מ"מ פרוסת סיליקון בדוגמת מערך 3 x 9 של איים מלבניים של אלומיניום (עובי 50 ננומטר) מוקפים בזהב (עובי 50 ננומטר). מותקן על דיסק פלדה 15 מ"מ עם שכבת זהב על פני השטח העליונה המחוברת חשמלית לדיסק.
Nanoindenter	Hysitron	TS 75	Nanoindented מיוצר בתוסף דגימות Ti-6Al-4V בתבנית משולש ישר זווית ליצירת צירי מקור ו-XY להדמיה משותפת.
Nanscope Analysis	Bruker	גרסה 2.0	חבילת תוכנה חינמית לעיבוד וניתוח תמונה של AFM, אך קניינית, מיועדת ומוגבלת ל-Bruker AFMs; פונקציונליות דומה זמינה מחבילות תוכנה חינמיות לעיבוד וניתוח תמונה AFM ללא תלות בפלטפורמה כגון Gwyddion, WSxM ואחרות
Polisher	Allied	MetPrep 3	בשימוש במהלך ליטוש slurry
מחזיק בדיקה	Bruker	DAFMCH	ספציפי ל-AFM המסוים בו נעשה שימוש, אך חייב לספק נתיב חשמלי ישיר מהגשושית למכשיר; DAFMCH הוא מחזיק הבדיקה הסטנדרטי של מצב מגע והקשה עבור Dimension Icon AFM, מתאים למיקרוסקופ KPFM
Raman, מיקרוסקופ ראמאן קונפוקלי	Horiba	LabRAM HR Evolution	עם אורכי גל/לייזרים עירור של 442 ננומטר, 532 ננומטר ו-633 ננומטר (בשימוש 532 ננומטר כפול Nd:YAG); מטרות אולימפוס 10x, 20x, 50x ו-100x; חור קונפוקלי מתכוונן של 50-250 מ"מ, ספקטרומטר הדמיה של 0.8 מ' עם סורגים של 600 ו-1800 קו/מ"מ; גלאי מערך CCD מקורר 256 x 1024 מבית TE; ו-80 מ"מ x 100 מ"מ Marzhauser ממונע XYZ stage בתוספת יכולות מראה DuoScan לסריקת
מדגם פאק	טד פלה	16218	מספר המוצר הוא עבור פאק מדגם נירוסטה בקוטר 15 מ"מ. זמין גם בקוטר 6 מ"מ, 10 מ"מ, 12 מ"מ ו-20 מ"מ
במיקרוסקופ אלקטרונים סורק	https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 Hitachi	S-3400N-II	הממוקם במדינת בויס. משמש לביצוע SEM/EDS מקומי משותף על כל הדגימות למעט Ti-6Al-4V המיוצר בתוסף (AM).
מיקרוסקופ אלקטרונים סורק	Zeiss	Leo	Field Emission SEM. ממוקם בקמפוס של NIST's Boulder, CO. משמש לאספקת SEM/EBSD במיקום משותף בדגימות AM Ti-6Al-4V.
נייר חצץ סיליקון קרביד (דיסקים שוחקים)	בעלות הברית	120 חצץ: 50-10005, 400 חצץ: 50-10025, 800 חצץ: 50-10035, 1200 חצץ: 50-10040	דגימות מלוטשות בהדרגה מתקן ANSI 120 חצץ ל-1200 חצץ לפני השימוש בתמיסות כלשהן. שימו לב שתקן ANSI 120 חצץ מתאים ל-P120 (אירופאי), בעוד שתקן ANSI 1200 חצץ מתאים ל-P4000 (אירופאי) - כלומר, תקני אפיון השוחקים ANSI (US Industrial Grit) ו-FEPA (P-Grading) מסכימים על גריסים גסים, אך מתפצלים מספרית עבור שוחקים עדינים יותר.
Sonicator	VWR (חלק מ-Avantor)	97043-992	משמש לניקוי דגימות באמצעות סוניקציה לאחר ליטוש.
חנקן בטוהר גבוה במיוחד (UHP N2), 99.999%	Norco	SPG TUHPNI - T	T גודל בלון גז דחוס בטוהר גבוה במיוחד (99.999%) חנקן לייבוש דגימות
מטחנה במהירות משתנה	Buehler	EcoMet 3000	משמש עם ניירות חצץ סיליקון קרביד במהלך ליטוש ידני.
מלטש רטט	Buehler	AutoMet 250 מלטש מטחנה	משמש לליטוש דגימות לפרקי זמן ארוכים יותר. ליטוש אוטומטי.