Summary
Kelvin sondkraftmikroskopi (KPFM) mäter yttopografi och skillnader i ytpotential, medan svepelektronmikroskopi (SEM) och tillhörande spektroskopier kan belysa ytmorfologi, sammansättning, kristallinitet och kristallografisk orientering. Följaktligen kan samlokaliseringen av SEM med KPFM ge insikt i effekterna av nanoskalans sammansättning och ytstruktur på korrosion.
Abstract
Kelvin sondkraftmikroskopi (KPFM), ibland kallad ytpotentialmikroskopi, är nanoskalaversionen av den ärevördiga scanning Kelvin-sonden, som båda mäter Volta-potentialskillnaden (VPD) mellan en oscillerande sondspets och en provyta genom att applicera en nollspänning som är lika stor men motsatt i tecken till spetsprovets potentialskillnad. Genom att skanna en ledande KPFM-sond över en provyta kan variationer i yttopografi och potential i nanoskala kartläggas, identifiera sannolika anodiska och katodiska regioner, samt kvantifiera den inneboende materialdrivkraften för galvanisk korrosion.
Efterföljande samlokalisering av KPFM Volta-potentialkartor med avancerade svepelektronmikroskopitekniker (SEM), inklusive bakre spridda elektronbilder (BSE), energidispersiv spektroskopi (EDS) elementsammansättningskartor och elektronbackscattered diffraktion (EBSD) inversa polfigurer kan ge ytterligare inblick i struktur-egenskap-prestanda-relationer. Här presenteras resultaten från flera studier som samlokaliserar KPFM med SEM på en mängd olika legeringar av tekniskt intresse, vilket visar nyttan av att kombinera dessa tekniker på nanoskala för att belysa korrosionsinitiering och utbredning.
Viktiga punkter att tänka på och potentiella fallgropar att undvika i sådana undersökningar belyses också: i synnerhet sondkalibrering och de potentiella förvirrande effekterna på de uppmätta VPD: erna i testmiljön och provytan, inklusive omgivande luftfuktighet (dvs. adsorberat vatten), ytreaktioner / oxidation och polering av skräp eller andra föroreningar. Dessutom ges ett exempel på samlokalisering av en tredje teknik, skanning av konfokal Raman-mikroskopi, för att demonstrera den allmänna tillämpligheten och nyttan av samlokaliseringsmetoden för att ge ytterligare strukturell insikt utöver den som ges av elektronmikroskopibaserade tekniker.
Introduction
Mikroskopisk karakterisering av material är grundläggande viktigt för att förstå och utveckla nya material. Många mikroskopimetoder ger kartor över materialytor och deras egenskaper, inklusive topografi, elasticitet, töjning, elektrisk och värmeledningsförmåga, ytpotential, elementär sammansättning och kristallorientering. Informationen från en mikroskopimodalitet är emellertid ofta otillräcklig för att fullt ut förstå samlingen av egenskaper som kan bidra till det materiella beteendet av intresse. I vissa fall har avancerade mikroskop konstruerats med kombinerade karakteriseringsfunktioner, såsom en inverterad optisk mikroskopplattform som innehåller ett atomkraftmikroskop (AFM) eller använder flera svepprobmodaliteter (t.ex. Kelvin-sondkraftmikroskopi [KPFM] eller intermodulation elektrostatisk kraftmikroskopi [ImEFM1], ytpotentialmätningar och magnetisk kraftmikroskopi [MFM])2,3,4, 5 för att karakterisera ett prov på samma AFM. Mer allmänt skulle man vilja kombinera informationen från två separata mikroskop för att erhålla struktur-egenskapskorrelationer 6,7. Samlokaliseringen av scanning Kelvin probkraftmikroskopi med svepelektron och Raman-baserade mikroskopier och spektroskopier presenteras här för att illustrera en process för korrelering av information erhållen från två eller flera separata mikroskop genom ett specifikt applikationsexempel, nämligen multimodal karakterisering av metalllegeringar för att förstå korrosionsbeteende.
Korrosion är den process genom vilken material reagerar kemiskt och elektrokemiskt med sin miljö8. Elektrokemisk korrosion är en spontan (dvs termodynamiskt gynnsam, driven av en nettominskning av fri energi) process som involverar elektron- och laddningsöverföring som uppstår mellan en anod och en katod i närvaro av en elektrolyt. När korrosion uppstår på en metall- eller legeringsyta utvecklas anodiska och katodiska regioner baserat på variationer i sammansättningen av mikrostrukturella egenskaper i en process som kallas mikrogalvanisk korrosion9. Genom användning av samlokaliserade karakteriseringstekniker i nanoskala ger metoderna som beskrivs här en experimentell väg för att identifiera sannolika mikrogalvaniska par mellan en mängd olika legeringsmikrostrukturella egenskaper, vilket ger potentiellt användbar insikt för korrosionsreducering och utveckling av nya material. Resultaten av dessa experiment kan bestämma vilka mikrostrukturella egenskaper vid legeringsytan som sannolikt kommer att fungera som lokala anodställen (dvs. oxidationsställen) eller katoder (dvs. reduktionsställen) under aktiv korrosion, samt ge ny inblick i nanoskalans egenskaper vid korrosionsinitiering och reaktioner.
KPFM är en AFM-baserad skanningssondmikroskopi (SPM) karakteriseringsteknik som kan generera samtidiga (eller rad-för-rad sekventiella) topografi- och Volta-potentialskillnadskartor (VPD) av en provyta med upplösningar i storleksordningen 10 nanometer respektivemillivolt 10. För att uppnå detta använder KPFM en ledande AFM-sond med en spets i nanoskala. Vanligtvis spårar sonden först de topografiska variationerna i provytan och lyfter sedan till en användardefinierad höjd ovanför provytan innan den spårar topografilinjen för att mäta VPD mellan sonden och provet (dvs. den relativa Volta-potentialen för provytan). Även om det finns flera sätt att praktiskt implementera KPFM-mätningar, utförs i grunden bestämningen av VPD genom att samtidigt tillämpa både en AC-bias (i den presenterade implementeringen, på sonden) och en variabel DC-bias (i den presenterade implementeringen, på provet) för att nollställa spetsprovets potentialskillnad som indikeras genom att nollställa sondens svängning vid den applicerade AC-biasfrekvensen (eller dess heterodynförstärkta summa och differensfrekvenser på vardera sidan av sondens naturliga mekaniska resonansfrekvens) 11. Oavsett implementeringsmetod producerar KPFM korrelerad topografi med hög lateral rumslig upplösning och VPD-kartor över en metallyta12.
VPD mätt via KPFM är direkt korrelerad till skillnaden i arbetsfunktion mellan provet och sonden, och dessutom trenderna med VPD (i allmänhet) med elektrodpotentialen i lösning13,14,15. Detta förhållande kan användas för att bestämma det förväntade (lokala) elektrodbeteendet hos mikrostrukturella egenskaper baserat på VPD och har undersökts för ett antal korroderande system för metalllegering 15,16,17,18,19,20,21,22 . Dessutom är den uppmätta VPD känslig för lokal sammansättning, ytskikt och korn / kristall / defektstruktur och ger därför nanoskala belysning av de funktioner som förväntas initiera och driva korrosionsreaktioner på en metallyta. Det bör noteras att VPD (Ψ) är relaterat till, men skilt från, den (icke-mätbara) ytpotentialen (χ), som beskrivs mer detaljerat i litteraturen 13,14, inklusive användbara diagram och exakta definitioner av korrekt elektrokemiterminologi23. De senaste framstegen i tillämpningen av KPFM på korrosionsstudier har kraftigt ökat kvaliteten och repeterbarheten hos förvärvade data genom noggrant övervägande av påverkan av provberedning, mätparametrar, sondtyp och yttre miljö24,25,26,27.
En nackdel med KPFM är att även om den genererar en upplösningskarta i nanoskala för ytan VPD, ger den ingen direkt information om sammansättning, och därmed måste korrelationen mellan variationer i VPD och skillnader i elementär sammansättning tillhandahållas genom samlokalisering med komplementära karakteriseringstekniker. Genom att samlokalisera KPFM med SEM, energidispersiv spektroskopi (EDS), elektronbackdispersiv diffraktion (EBSD) och/eller Ramanspektroskopi kan sådan sammansättnings- och/eller strukturell information bestämmas. Samlokalisering av tekniker i nanoskala kan dock vara svårt på grund av den extrema förstoringen av avbildningen, skillnader i synfält och upplösning och provinteraktioner under karakterisering28. Att erhålla nano- till mikroskalabilder av samma region i ett prov på olika instrument kräver hög precision och noggrann planering för att samlokalisera tekniker och minimera artefakter på grund av möjlig korskontaminering under sekventiell karakterisering18,28.
Syftet med denna artikel är att definiera en systematisk metod för samlokalisering av KPFM- och SEM-avbildning, varav den senare kan ersättas med andra karakteriseringstekniker som EDS, EBSD eller Raman-spektroskopi. Det är nödvändigt att förstå den korrekta ordningen av karakteriseringssteg, miljöeffekterna på KPFM-upplösning och uppmätta VPD: er, KPFM-sondkalibrering och olika strategier som kan användas för att framgångsrikt samlokalisera SEM eller andra avancerade mikroskopi- och spektroskopitekniker med KPFM. Följaktligen tillhandahålls en steg-för-steg-generaliserad procedur för samlokalisering av SEM med KPFM, följt av exemplifierande verk av sådan samlokalisering tillsammans med användbara tips och tricks för att få meningsfulla resultat. Mer allmänt bör proceduren som beskrivs här tjäna till att beskriva en allmänt tillämplig process för samlokalisering av bilder / egenskapskartor som erhållits från andra mikroskopimodaliteter med KPFM och andra AFM-lägen för att erhålla användbara struktur-egenskapsrelationer i en mängd olika materialsystem 6,7,29,30,31,32.
Protocol
1. Exempel på provberedning för samlokaliserad avbildning av en metalllegering
- Förbered prover som är tillräckligt små för att uppfylla dimensionskraven för AFM och andra karakteriseringsverktyg som ska användas (t.ex. när det gäller AFM som används här, se materialtabellen, se till att proverna har en höjd <18 mm för att passa under AFM-huvudet), är tillräckligt släta på botten för att täta mot AFM-stegets provchuckvakuum, uppvisar minimal ytjämnhet utan löst skräp och ger en ledande väg från basen till den övre ytan.
- Skär proverna till acceptabla dimensioner och bädda in i högvakuumkompatibel epoxi (se materialtabellen; en cylindrisk form med en diameter på ~ 25 mm är typisk).
- Polera proverna till ytjämnhet i nanometerskala.
OBS: En representativ poleringsmetod tillhandahålls; Se referenser häri för alternativa poleringsmetoder som används för specifika material eller prover. Exempelpoleringsmetoden nedan använder handpolering med ett polerhjul.- Börja med grövre gryn och arbeta successivt mot finare slipskivor av grit kiselkarbid.
- Arbeta från grovt till fint korn (t.ex. ANSI Standard 120 grit till 1200 grit) kiselkarbidslipskivor och spendera 5 minuter vid varje kornnivå. Mellan varje kornnivå, kontrollera provet under ett optiskt mikroskop för att visuellt bekräfta minimala eller inga repor.
OBS: ANSI Standard 120 korn och 1200 korn slippapper motsvarar europeiska P-Grade P120 respektive P4000.
- Arbeta från grovt till fint korn (t.ex. ANSI Standard 120 grit till 1200 grit) kiselkarbidslipskivor och spendera 5 minuter vid varje kornnivå. Mellan varje kornnivå, kontrollera provet under ett optiskt mikroskop för att visuellt bekräfta minimala eller inga repor.
- Handpolering i 10 minuter med en icke-vattenhaltig 1 μm diamantsuspension, följt av en 0,05 μm diamantsuspension.
- Polera provet i 24 timmar med en vibrerande polermaskin med 0,05 μm eller 0,08 μm vattenhaltigt kolloidalt kiseldioxidlack.
OBS: Att använda en vibrerande polermaskin möjliggör en finare finish än handpolering och kommer att resultera i KPFM-bilder av högre kvalitet. - Om materialet som studeras inte genomgår snabb oxidation, skölj provet med avjoniserat vatten (eller annat lämpligt, mindre oxiderande lösningsmedel såsom en vattenfri alkohol) innan du sonikerar i en bägare med ett lämpligt lösningsmedel (t.ex. etanol, beroende på epoxi- och polerföreningar som används, samt legeringskomposition) för att avlägsna eventuella kvarvarande polerföreningar eller materialskräp.
- Ta bort provet från sonicator, skölj med lösningsmedel och torka med tryckluft eller ultrahög renhet (UHP, 99.999%) komprimerad kvävgas.
- Använd optisk mikroskopi för att avgöra om polermedlet är tillräckligt. Se till att provet praktiskt taget inte har några synliga repor på ytan (helst ser spegelliknande ut).
- Börja med grövre gryn och arbeta successivt mot finare slipskivor av grit kiselkarbid.
- Implementera önskad samlokaliseringsmetod för att skapa ett ursprung och axlar (dvs. exempelplats/registrering och orientering/rotation).
OBS: Möjliga samlokaliseringsmetoder inkluderar en nanoindent-array, scratch-fiducial, outplånlig bläckpunkt eller annan funktion som är lätt att känna igen i de optiska systemen i mikroskopen som ska samlokaliseras. Se figur 1 för ett exempel på lätt igenkännliga optiska funktioner som är synliga efter polering.- Utför nanoindention före eller efter polering med hjälp av en kommersiell instrumenterad nanoindenter för att producera igenkännliga fiduciella markörer (figur 2).
- Alternativt kan du göra bläckprickar eller repor (t.ex. med en mikromanipulatorsond, rakblad eller diamantskrivare) efter polering. Om korrosionstestning ska utföras på provet senare, undvik dessa metoder.
Bild 1: Samlokaliserade optiska mikroskop- och KPFM-bilder. (A) Optiskt mikroskop och (B) zoomad KPFM-bild av det boxade området i A av en Cu-Ag-Ti (CuSil) lödning som visar tydliga bevis på kopparrika och silverrika fasseparerade domäner inom lödlegeringen, tillräckligt distinkta för att identifieras med öga30. Skalstreck: (A) 25 μm, (B) 7 μm. Förkortning: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Nanoindentationsfiducials för samlokalisering av KPFM och elektronmikroskopi. Skapande av ett asymmetriskt mönster med tre fiducialmärken (märkta 1-3 och indikerade med två cirklar för XY-axlarna och en triangel för ursprunget) av en nanoindenter utrustad med en diamant Berkovich-sond som är tillåten för analys av samma intresseområde med användning av flera karakteriseringstekniker: (A) SEM-avbildning av SEM, B) BSE SEM-avbildning, och EBSD-mätningar av (C) α-Ti och (D) β-Ti. Det område som indikerades av den lutade, prickade fyrkanten i panelerna A–D karakteriserades därefter med AFM/KPFM för att producera (E) höjd- och (F) Volta-potentialbilder. De små fasta och streckade rektanglarna i A–D representerar områden med KPFM-skanningar med högre upplösning som analyserats mer detaljerat (se figur 9). Denna siffra återges från Benzing et al.32. Skalstänger = 20 μm. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SE = sekundär elektron; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; EBSD = elektron bakåtspridd diffraktion; AFM = atomkraftsmikroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
2. KPFM-avbildning
- Slå på AFM och öppna motsvarande styrprogramvara (specifikt för AFM, se materialförteckningen och KPFM-standardoperationsproceduren (SOP) som ingår i tilläggsmaterialen). I fönstret Välj experiment som öppnas väljer du lämplig experimentkategori, experimentgrupp och experiment (elektriskt och magnetiskt, elektriskt och magnetiskt lyftlägen och PeakForce KPFM i det här fallet; se figur 1 i kompletterande material SOP) och klickar sedan på Ladda experiment för att öppna önskat arbetsflöde. När experimentarbetsflödet har öppnats klickar du på Inställningar i arbetsflödet.
- Montera och säkra en ledande AFM-sond på lämplig sondhållare (se materialtabellen), installera sondhållaren på AFM-huvudet och rikta in lasern på baksidan av sondutskjutaren och in i den positionskänsliga detektorn (PSD). (Se SOP i kompletterande material för mer detaljer och bilder av sondbelastnings- och laserjusteringsprocedurerna).
OBS: Se till att den valda sondhållaren ger en kontinuerlig elektrisk väg från sonden till AFM för förspänning.- Ladda sonden försiktigt på sondhållaren. Ta bort AFM-huvudet. Montera sonden och sondhållaren genom att rikta in hålen på sondhållaren med kontaktstiften på huvudet. Sätt tillbaka huvudet på AFM och säkra huvudet på plats.
OBS: Elektrostatisk urladdning (ESD) kan lätt skada den ledande metallbeläggningen på många KPFM-sonder såväl som känslig AFM-elektronik, så beroende på miljöförhållandena (t.ex. fuktighet), överväga motåtgärder som att bära anti-ESD-handskar och / eller använda en jordad handledsrem eller matta. - I menyn Probe Setup ser du till att den sondtyp som används visas. Om det behövs klickar du på Välj sond och väljer rätt avsökningstyp i rullgardinsmenyn och klickar sedan på Returnera och spara ändringar.
- På menyn Fokustips sätter du slutet av utskjutaren i fokus med hjälp av upp-/nedpilarna för fokuskontrollerna . Justera fokushastighet, optisk zoom och videobelysning efter behov. När änden av cantilever är i fokus, rikta in hårkorset över spetsplatsen genom att klicka på den optiska bilden på den plats som motsvarar spetsens position under cantilever baserat på det kända bakslaget av spetsen från den distala änden av cantilever.
OBS: Tippbakslaget anges vanligtvis av / tillgängligt från sondtillverkaren. - Använd laserjusteringsknapparna på AFM-huvudet och rikta in lasern mot mitten av sondutbredningens baksida mot den distala änden (dvs. mot spetsen / bort från sondsubstratet) och centrera den reflekterade strålen på PSD för att maximera summaspänningen samtidigt som de vertikala och horisontella avböjningarna minimeras.
- Ladda sonden försiktigt på sondhållaren. Ta bort AFM-huvudet. Montera sonden och sondhållaren genom att rikta in hålen på sondhållaren med kontaktstiften på huvudet. Sätt tillbaka huvudet på AFM och säkra huvudet på plats.
- Ladda provet på chucken och slå på Chuck Vacuum med på / av-spakomkopplaren . Applicera en tunn linje av ledande silverpasta (se materialtabellen) för att ge en kontinuerlig elektrisk väg från provet till chucken. När silverpastan har torkat, kontrollera att provets övre yta har god kontinuitet till provchucken / steget med hjälp av en multimeter. (Se SOP i kompletterande material för mer information.)
OBS: Om den elektriska anslutningen mellan provet och scenen / chucken inte är bra, kommer de potentiella kanaldata som erhållits under KPFM-avbildning att vara bullriga och / eller felaktiga. - Välj ikonen Navigera i arbetsflödet för AFM-kontrollprogramvaran och flytta avsökningen över provet med hjälp av scenrörelsen XY-kontroll Pilar. Sätt provytan i fokus med hjälp av Skanna huvud upp-/nedpilar och använd sedan scenrörelsen XY-kontroll pilar igen för att hitta det angivna ursprunget och flytta till intresseområdet (ROI). (Se även Figur 8 och Figur 9 i den Kompletterande material SOP).
- Närma dig ytan försiktigt (justera skanningshuvudets rörelsehastighet efter behov) och sätt ytan i fokus. Var försiktig så att sonden inte kraschar in i provytan, eftersom det kan leda till sond- eller provskador.
OBS: AFM-kontrollprogramvaran som används här har två fokuseringsalternativ: Exempel (standard) och Tipsreflektion. Den förstnämnda använder en brännvidd på 1 mm så att AFM-utskjutaren kommer att vara ~ 1 mm över ytan när ytan visas i fokus i den optiska vyn. Den senare använder en brännvidd på 2 mm så att ytan kommer att visas i fokus när AFM-utskjutaren är ~ 2 mm över ytan, medan spetsreflektionen kommer att visas i fokus när cantilever är ~ 1 mm över ytan (förutsatt en mycket polerad, reflekterande provyta). Således är en föreslagen metod för att närma sig ytan att börja i spetsreflektionsläge och närma sig med full hastighet (100%) tills provytan kommer i fokus, sedan växla till prov ( standard) och närma sig med medelhastighet (20%) för att gå från 2 mm till 1 mm över ytan. - Använd scenrörelsen XY Control för att placera en lätt identifierbar / särskiljande funktion direkt under sondspetsen (indikeras av hårkorset i det optiska visningsfönstret för AFM och programvara som används här). När du har överskridit funktionen korrigerar du för parallaxen som induceras av den sidomonterade kameraoptiken genom att klicka på Kalibrera i verktygsfältet och sedan välja Optisk och optisk / SPM-axelkolinjäritet. Gå igenom kalibreringsstegen för samlinjäritet genom att klicka på Nästa. Justera hårkorset över samma särskiljande funktion i var och en av de presenterade optiska bilderna innan du klickar på Slutför och klicka sedan på Navigera i programvaruarbetsflödet för att fortsätta.
- Leta reda på det angivna ursprunget (baserat på den valda samlokaliseringsmetoden) och justera X- och Y-koordinataxlarna (dvs. provorientering och rotation) i enlighet därmed och centrera sondspetsen över origo. För att möjliggöra repeterbar navigering till önskad ROI och samlokalisering med andra karakteriseringstekniker/instrument, notera X- och Y-positionsvärdena (i μm) som visas längst ner i programvarufönstret. När du har överträffat det angivna ursprunget registrerar du XY-positionen, flyttar sedan till önskat område (ROI) och registrerar den nya XY-positionen. Beräkna skillnaden mellan dessa två platser för att bestämma avståndet som ska röra sig i X- och Y-riktningarna när du samlokaliserar KPFM med andra mikroskopi- och spektroskopitekniker.
Det finns flera sätt att bestämma och definiera platsen för avkastningen på investeringen i förhållande till ursprunget, som beskrivs mer detaljerat i delstegen nedan.- Klicka på Scen i verktygsfältet och välj Flytta till. Spela in origo XY-positionen och mata sedan in antingen absoluta (standard) eller relativa (genom att markera kryssrutan Relativ rörelse ) X och Y flyttar värden baserat på önskat avstånd från origo för ROI (eller navigera till ROI med hjälp av scenrörelsekontrollerna och notera den nya XY-positionen).
- Alternativt är den mest intuitiva och därmed föredragna metoden att klicka på Scen i verktygsfältet och välja Ange referenser. När du är över det angivna ursprunget klickar du på Markera punkt som ursprung under Definiera ursprung för att nollställa X- och Y-platsvärdena. Flytta sedan sonden till önskad avkastning och notera avståndet från origo till ROI som visas som X- och Y-värdena längst ned på skärmen.
- Närma dig ytan försiktigt (justera skanningshuvudets rörelsehastighet efter behov) och sätt ytan i fokus. Var försiktig så att sonden inte kraschar in i provytan, eftersom det kan leda till sond- eller provskador.
- Stäng och lås den akustiska huven som omsluter AFM.
OBS: Ovanstående metod förutsätter ett standard AFM-system för omgivande miljö, men KPFM kan också utföras i en handskfack med inert atmosfär. Även om det är mer utmanande kan det vara mycket fördelaktigt att använda en AFM inrymd i en handskfack på grund av minskade mängder ytvatten, eftersom det möjliggör lägre lyfthöjder (och därmed högre rumslig upplösning) och mer reproducerbara VPD-mätningar i förhållande till den variabla luftfuktigheten som upplevs under omgivande förhållanden, samt förhindrar passiv oxidskiktbildning eller korrosion på provet efter polering (figur 3 ). Om du utför KPFM-experiment under omgivande förhållanden är det lämpligt att noggrant kontrollera (om möjligt) och övervaka temperaturen och den relativa fuktigheten. Se diskussionen för mer information. - Välj arbetsflödesfönstret Kontrollera parametrar och se till att de ursprungliga standardavbildningsparametrarna är acceptabla. Gå till mikroskopinställningarna i verktygsfältet, välj Engagera inställningar och se till att standardparametrarna för aktivering är acceptabla och ändra dem om så önskas. (Se SOP i kompletterande material för mer information). Klicka på knappen Delta i arbetsflödet för att engagera dig på ytan. Övervaka ingreppsprocessen för att säkerställa att spetsen kopplas in ordentligt.
OBS: När du klickar på Aktivera ändras meddelandet Tipssäkrat längst ner på programvaruskärmen till Motor: ZZ. Z μm där ZZ. Z är avståndet som stegmotorn har rört sig mot provytan. Sonden ska koppla in ytan vid ungefär den SPM-säkerhetsinställning som valts i inkopplingsinställningarna (standardvärdet är 100 μm). Om du använder en sond med en särskilt lång spets (dvs. stor spetshöjd) kan det vara nödvändigt att öka SPM-säkerheten för att undvika att sonden kraschar under den första snabba nedstigningsdelen av ingreppsprocessen (dvs. SPM-säkerheten måste vara större än sondspetsens höjd, definierad som avståndet från utskjutaren till slutet av spetsen, plus osäkerheten i ytfokusavståndet). - När du är inkopplad växlar du visningstypen för kraftkurvan från Force vs Time till Force vs Z genom att högerklicka på kurvan och välja Switch Display Type. Optimera AFM-topografin och KPFM-parametrarna i fönstret Parametrar i skanningsgränssnittet (se diskussionen och KPFM SOP i tilläggsmaterialen). När du har definierat en lämplig katalogsökväg och filnamn under Capture > Capture Filename klickar du på capture-ikonen för att ställa in hämtningen av önskad nästa fullständiga bild och klickar sedan på Dra tillbaka i arbetsflödet när bilden har tagits (eller alternativt klickar du på Capture > Capture Withdraw för att automatisera processen).
Figur 3: Effekt av inert kontra omgivande atmosfär på KPFM Volta-potentialmätningar. KPFM-bilder av samma område av en binär MgLa-legering erhållen i (A) torrN2 och (B) omgivande luft på samma märke och modell av AFM med samma typ av sond och avbildningsmodalitet. I båda fallen avbildades provet två gånger med en inkubation över natten mellan bilderna. Bilderna i luften erhölls 1 dag efter bilderna i N2. Resultaten visar att KPFM-kontrasten bryts ned med tiden vid exponering för omgivande luft som ett tunt passiverande oxidskikt bildat på legeringsytan. Genom att använda det inerta atmosfären (torr N2) handskfack AFM-systemet möjliggjordes också användning av lägre lyfthöjder, vilket kan ge högre lateral rumslig upplösning. Skalstänger = 10 μm. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; AFM = atomkraftsmikroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
3. SEM-, EDS- och EBSD-avbildning
OBS: Det är bäst att utföra någon elektronmikroskopi eller spektroskopi karakterisering efter KPFM eftersom elektronstrålen kan deponera en oönskad kolbeläggning på provet (dvs. elektronstråleavsättning); detta föroreningsskikt kommer att påverka VPD mätt via KPFM (t.ex. se figur 2 i Hurley et al. 18 eller figur 1 i Mallinson och Watts28). Tunna lager av kolförorening kan deponeras även under mycket höga vakuumförhållanden och kommer att påverka ytpotentialmätningar.
- Se till att provet hämmar laddningen. Om provet inte är tillräckligt ledande (vanligtvis inte fallet för metalllegeringar), överväga kolbeläggning före avbildning. Ladda provet i SEM-kammaren. Stäng och pumpa ner (evakuera) kammaren; slå på elektronstrålen med knappen Beam On . Zooma ut optiskt med förstoringsknappen för att få det maximala synfältet (FOV) på provytan.
- Leta reda på det angivna ursprunget (t.ex. nanoindentation, repa, outplånlig bläckpunkt, optisk funktion) och zooma sedan in med förstoringsknappen . Orientera X- och Y-axlarna enligt fiducialmarkörerna (dvs. justera provorienteringen/rotationen) genom att mata in värden i alternativen för scenrotation och lutning. Zooma in efter behov och ta önskade bilder (t.ex. sekundärelektron [SE], BSE och EDS-kartor) av den angivna avkastningen och spara filerna.
OBS: Eftersom SEM erbjuder ett bredare synfält än AFM är det ofta fördelaktigt att få en SEM-bild med stort område för att garantera att hela området fångas tillsammans med KPFM (se diskussionen).
4. KPFM, SEM, EDS och EBSD bildöverlägg och analys
- Använd lämplig programvara för varje karakteriseringsverktyg (se Materialförteckning) för att bearbeta rådata efter behov. Spara och exportera de förvärvade KPFM- och SEM-bilderna i önskat filformat (t.ex. *.spm, *.txt, *.jpg, *.tif, etc.) för bildöverläggsprogramvaran som ska användas.
- Bearbeta KPFM-data på lämpligt sätt för att säkerställa högkvalitativa bilder (se materialförteckningen).
OBS: Beroende på den specifika AFM-hårdvaru- och programvarukonfigurationen som används är det möjligt att känslan (dvs. tecken och relativ ordning) av de uppmätta VPD: erna kan vändas och måste inverteras. Det är vanligt att rapportera VPD som provets Volta-potential minus sondspetsens, med mer ädla / mindre lätt oxiderade ytor indikerade av en större, mer positiv Volta-potential, precis som deras arbetsfunktion vanligtvis skulle rapporteras som ett stort, positivt värde, vilket indikerar den relativa svårigheten att ta bort en elektron från ytan.- När du har öppnat KPFM-datafilen tillämpar du en första ordningens planpassning på KPFM-bildernas AFM-topografikanal (höjdsensor) för att ta bort provspetsen och lutningen, samt en första order Platta om det behövs för att kompensera för eventuella rad-till-rad-förskjutningar på grund av sondslitage eller plockning av skräp på sondspetsen.
OBS: Om absoluta Volta-potentialmätningar önskas (se diskussionen) eller om flera bilder som innehåller KPFM VPD: er uppmätta med samma sond ska jämföras, bearbeta inte KPFM Volta-potentialkanalen (dvs. använd rå, som förvärvade data). Om användarna istället bara är intresserade av de relativa VPD: erna för mikrostrukturer som är interna för (dvs. helt inuti) det avbildade provområdet, är det tillåtet att planpassa och platta ut KPFM-potentialkanalen också för att förbättra bildkvaliteten. - Välj önskat färgschema/övertoning för KPFM-bilderna genom att först välja miniatyrbilden Potentiell kanal till vänster om AFM-topografibilden och sedan dubbelklicka på färgskalefältet till höger om KPFM VPD-kartan för att öppna fönstret Justera bildfärgskala till fliken Välj färgtabell .
- Ange ett lämpligt skalstrecksintervall (dvs. lägsta och högsta värde) för KPFM VPD-bilden på fliken Ändra dataskala i fönstret Justera bildfärgskala och klicka sedan på (dvs. Lägsta och högsta värde). Upprepa den här processen för AFM-topografibilden efter att du först (åter)har valt miniatyrbilden för höjdsensorkanalen. Spara journalkvalitetsexporter av den bearbetade AFM-topografibilden och KPFM VPD-kartan som bildfiler (t.ex. *.jpg, *.tif, etc.).
- När du har öppnat KPFM-datafilen tillämpar du en första ordningens planpassning på KPFM-bildernas AFM-topografikanal (höjdsensor) för att ta bort provspetsen och lutningen, samt en första order Platta om det behövs för att kompensera för eventuella rad-till-rad-förskjutningar på grund av sondslitage eller plockning av skräp på sondspetsen.
- Bearbeta KPFM-data på lämpligt sätt för att säkerställa högkvalitativa bilder (se materialförteckningen).
- Öppna den bearbetade AFM-topografibilden och KPFM VPD-kartan, tillsammans med den råa SEM-bilden, i den valda bildhanteringsprogramvaran (se Materialförteckning). Identifiera det angivna ursprunget i både AFM/KPFM-data och SEM-bilder (t.ex. SE, BSE, EDS, EBSD, etc.). Lägg över ursprungen i de två bilderna och justera sedan bilderna rotationsmässigt med hjälp av X- och Y-koordinataxlarna som betecknas med de valda fiduciella märkena eller karakteristiska egenskaperna. Skala bilderna efter behov.
OBS: Topografifunktionerna i AFM- och SEM-bilder bör anpassas till varandra och kan motsvara KPFM och kompositionsinformation (t.ex. BSE-bild eller EDS-kartor) på grund av differentiella poleringshastigheter och VPD: er för olika kompositioner. När du lägger över och justerar bilder är det ofta bra att öka transparensen för den översta (överlagrade) bilden.
Representative Results
Binär Mg-legering: KPFM och SEM
På grund av deras överlägsna förhållande mellan styrka och vikt är magnesiumlegeringar (Mg) av intresse för användning i bärbar elektronik och som strukturella komponenter i transportapplikationer som cyklar, bilar och flygplan. Dessutom används MG-legeringar för katodiskt skydd och som anoder i batterisystem33,34,35. Pure Mg kan inte bilda en passiv, skyddande oxidfilm på grund av att den är för tunn (Pilling-Bedworth-förhållandet mellan MgO är 0,81), vilket resulterar i att det är en mycket aktiv metall när den legeras med de flesta andra ledande material (reduktionspotential på −2,372 V jämfört med standardväteelektroden) 9. En primär drivkraft för magnesiumlegeringskorrosion är katodisk aktivering, där den katodiska reaktionen förbättras genom anodisk upplösning29. Ett sätt att hindra denna process är genom mikrolegering med tillsatser av metaller som bromsar den katodiska väteutvecklingsreaktionen. En studie från 2016 undersökte införlivandet av germanium (Ge) som ett mikrolegeringselement för att producera en binär Mg-legering29. KPFM indikerade närvaron av regioner med olika Volta-potentialer och kvantifierade motsvarande VPD: er; Detta resultat kunde dock inte ensamt särskilja den elementära sammansättningen i dessa regioner. Genom att samlokalisera KPFM med BSE SEM (som ger elementär kontrast baserad på atomnummer), som visas av de överlagrade bilderna i figur 4, identifierades de relativa nobiliteterna (dvs. platser för sannolikt anodiskt/katodiskt beteende) i matrisen och Mg2Ge sekundärfas exakt. Under aktiv korrosion observerades sekundärfasen Mg2Ge som en preferensplats för reduktion, vilket i sin tur flyttade korrosionsmekanismen från utbredd, filiformliknande korrosion på Mg till minskad attack på minimala platser när Ge inkluderades, vilket förbättrade materialets korrosionsprestanda.
Cu-Ag-Ti ternära lödlegering: KPFM och SEM/EDS
Lödning är ett alternativ med lägre temperatur till andra vanliga metallfogningstekniker som svetsning36. Fogprestanda och livslängd kan dock drabbas på grund av fasseparation och resulterande galvanisk korrosion i lödning37, vilket visas i en jämförande studie om användningen av Cu-Ag-Ti (CuSil) och Cu-Ag-In-Ti (InCuSil) löder för att gå med i 316L rostfritt stålkuponger30. Figur 5 visar en representativ region för en Cu-Ag-Ti-lödfog, där samlokaliserad BSE SEM, EDS och KPFM bekräftade att den silverrika fasen var katodisk till (dvs. ädlare än) den kopparrika fasen med ~ 60 mV, med denna fasseparation och VPD som så småningom ledde till initiering av mikrogalvanisk korrosion inom de kopparrika regionerna i lödningen. De omgivande 316L-kupongerna i rostfritt stål och titan (Ti) gränssnittsvätningsskikt38 observerades dock vara anodiska i Volta-potential för båda de närliggande lödlegeringsfaserna. Således skulle matrisen i rostfritt stål i teorin vara mer reaktiv (dvs lättare oxiderad) än lödningen. Men i ett galvaniskt korrosionsscenario är det värsta fallet att ha en liten anod i kontakt med en stor katod, eftersom den större katodiska ytan kommer att driva snabb anodisk upplösning. Omvänt, i detta scenario med anodiska 316L rostfritt stålkuponger förenade med en katodisk lödlegering, bör kombinationen av en större anod och en mindre katod tjäna till att bromsa hastigheten för galvanisk korrosion.
Tvåfas ternär Ti-legering + bor: KPFM och SEM / EDS
Smidestitanlegering med 6 vid. % aluminium och 4 vid. % vanadin (Ti-6Al-4V eller Ti64) är en attraktiv strukturell legering på grund av dess höga hållfasthet i förhållande till vikt och utmärkta korrosionsbeständighet 39,40,41. I synnerhet finner Ti64 användning i biomedicinska implantat och enheter på grund av dess biokompatibilitet42,43,44. Men eftersom Ti64 är styvare än ben kan det leda till benförsämring och dålig implantatföljsamhet när den används för ledproteser. Tillsatser av bor (B), som har en löslighetsgräns på ~ 0,02 vid. % i Ti64, har undersökts för att ställa in de mekaniska egenskaperna hos Ti64 för att närmare efterlikna egenskaperna hos ben31. Sådana bortillsatser kan emellertid leda till ökad känslighet för legeringen för korrosion, särskilt när den utsätts för långvarig kontakt med blodplasma som i fallet med biomedicinska implantat såsom ledproteser. Figur 6 visar samlokaliserade KPFM-, BSE SEM- och EDS-kartor över ett Ti64 + 0,43% B-prov. De resulterande borrika TiB-nålarna (figur 6A och figur 6D) som visas ovanför mättnadspunkten för bor kan särskiljas från den omgivande Al-rika Ti64 alfa (α) matrisen (figur 6C) och sammankopplade trådformiga V-rika Ti64 beta (β) -fasen, med TiB-nålarna som uppträder vid en något högre (dvs. mer ädel) Volta-potential (ljusare i figur 6B) än den β fas31. Figur 7 illustrerar det faktum att KPFM är betydligt mer ytkänsligt än SEM på grund av skillnader i penetrationsdjup och provtagningsvolym för de två teknikerna. Specifikt resulterade bildandet av några nanometer tjock passiverande oxid på legeringsytan vid exponering för en lösning som efterliknar mänsklig plasma och den efterföljande potentiodynamiska cykeln (ASTM F2129-15 standardtestprotokoll för att bestämma korrosionskänsligheten hos implantatanordningar) i mätning av en relativt enhetlig ytpotential (figur 7B) trots att mikrostrukturen under ytan förblir synlig i BSE SEM-bilden (figur 7A) och EDS-kartor (figur 7C ). Däremot, när Ti64-prover utsattes för tvångskorrosionsförhållanden (dvs. hög saltkoncentration och extrem anodisk potential), var det möjligt att använda samlokaliserad KPFM, BSE SEM och EDS för att observera skillnader i korrosionsbeteende för låga (0,04% B) kontra höga (1,09% B) koncentrationsbortillsatta prover (figur 8).
3D-tryckt ternär Ti-legering: KPFM och SEM/EBSD
Additiv tillverkning (AM) av metaller och metalllegeringar har potential att producera delar billigare och snabbare, med mer komplexa former och kontroll över mikrostruktur och egenskaper45. Ett av de ledande materialen som används i AM är Ti64, som beskrivits ovan. I likhet med smidd Ti64 innehåller AM Ti64 två faser, den termodynamiskt stabila Al-rika α-fasen och den metastabila V-rika β-fasen, där varje fas uppvisar en rad kristallografiska orienteringar. Beroende på vilken fas och kristallografiska orienteringar som finns vid ytan påverkas korrosionsegenskaperna hos den tryckta delen. Figur 2 visar samlokaliserade AFM/KPFM-, SEM- (både SE och BSE) och EBSD-bilder (både α och β fas) av AM Ti64 som produceras via elektronstrålesmältande pulverbäddsfusion följt av varm isostatisk pressning (HIP)32. Den kristallografiska orienteringen av olika korn som avslöjades av EBSD samlokaliserades med KPFM VPDs för att bestämma vilka orienteringar som sannolikt kommer att påverka korrosionsegenskaperna hos AM Ti64 så att byggprocessparametrar kan ställas in för att minska icke-idealiska orienteringar eller faser. Topografin (figur 2E) och VPD (figur 2F) som förvärvats av KPFM täcker det något roterade stora fyrkantiga området som avgränsas av de prickade vita linjerna i SEM (figur 2A,B) och EBSD (figur 2C,D) kartor. Figur 9 zoomar in på det område som skisseras av de solida vita rektanglarna i figur 2A-D, vilket visar att den uppmätta VPD när den går över en α-α korngräns beror på de relativa kristallografiska orienteringarna för de två kornen. Dessutom uppvisade α-β fasgränser en relativ VPD som var lika med eller större än α-α gränser med olika kornorientering. Detta är viktigt, eftersom en högre Volta-potentiell gradient teoretiskt kommer att resultera i större intergranulära korrosionshastigheter på grund av den ökade mikrogalvaniska drivkraften, vilket tyder på ett behov av att minimera antalet β korn och deras kontaktpunkter med α laths.
Tvärsnittsanalys av Zr-legeringar för kärnbeklädnad: KPFM, SEM och Raman
Zirkonium (Zr) och dess legeringar används ofta som beklädnad i kärntekniska applikationer på grund av deras låga neutronabsorptionstvärsnitt och korrosionsbeständighet vid hög temperatur. På grund av en mängd olika potentiella nedbrytningsmekanismer, inklusive "breakaway-fenomenet", hydridinducerad försprödning och olika pelletsbeklädnadsinteraktioner, kan zirkoniumlivslängden förkortas drastiskt, vilket resulterar i risken för kärnreaktorfel46. Således undersöktes nedbrytningsmekanismer för zirkoniumlegering genom samlokalisering av KPFM, SEM och konfokal skanning Raman-mikroskopi (som kan avslöja skillnader i kristallstruktur baserat på Raman-spektrumet) 47. Här observerades en korrelation mellan zirkoniumoxidkristallstruktur (monoklinisk kontra tetragonal) och relativ Volta-potential. Specifikt befanns den tetragonalrika zirkoniumoxiden (t-ZrO 2) företrädesvis belägen nära metalloxidgränssnittet (indikerat av den vertikala streckade linjen i de högra panelerna i figur 10A-C och figur 10E-G) vara betydligt mer aktiv (dvs. mer benägna att oxidera / korrodera) jämfört med ~ 600 mV mer ädel bulk monokliniskt rik zirkoniumoxid (m-ZrO 2 ). Detta ses i VPD- och procentuella tetragonalitetslinjetvärsnitt över ZrO2 / Zr-gränssnittet i figur 10A-C. Vidare upptäcktes att t-ZrO2-regionen också var något aktiv i förhållande till metallsubstratet (figur 10A), vilket resulterade i ett p-n-korsningsområde som ytterligare ett steg i den annars diffusionsbegränsade oxidationen av zirkonium.
Ytterligare bevis på nyttan av KPFM och samlokalisering med kompletterande karakteriseringstekniker ses också i detta arbete. Även i nominellt "ren" Zr-metall förblir vissa spårjärnföroreningar närvarande efter bearbetning, vilket resulterar i järnrika sekundära faspartiklar (Fe-rika SPP). Detta observerades via KPFM och skanning av konfokal Raman-spektralkartläggning, där den stora ökningen av relativ Volta-potential som motsvarar den ljusa katodiska partikeln som syns i figur 10E korrelerade med en signifikant förändring i Raman-spektrumet (figur 10F,G). Denna katodiska partikel antogs ursprungligen vara en Fe-rik SPP, men EDS kunde inte ge bekräftelse på närvaron av järn i detta fall (figur 10H). För de data som presenteras i figur 10 utfördes dock KPFM först, följt av Raman-kartläggning och sedan slutligen SEM/EDS. Tyvärr är laserstråleskador (inklusive ablation/borttagning av SPP) möjliga under Raman-kartläggning beroende på den infallande lasereffekten, vilket potentiellt gör identifieringen av SPP via efterföljande EDS omöjlig. Den skadliga effekten av den infallande Raman-excitationslasern bekräftades här genom att ta bort Raman-kartläggning från den sekventiella karakteriseringsprocessen, vilket ledde till framgångsrik identifiering av Fe-rika SPP och deras motsvarande ökade VPD i förhållande till den omgivande Zr-matrisen genom samlokaliserad KPFM och SEM / EDS (röda cirklar i figur 11A, B ). Detta understryker vikten av den ordning i vilken en användare använder samlokaliserade karakteriseringstekniker, eftersom vissa verktyg är mer benägna att vara destruktiva eller påverka ytan. Specifikt, medan KPFM är icke-destruktivt, kan utförande av Raman- eller SEM / EDS-analys före KPFM påverka de resulterande Volta-potentiella mätningarna18,28. Det rekommenderas därför starkt att KPFM utförs först vid samlokalisering med mer potentiellt skadliga ytkänsliga tekniker.
Figur 4: Samlokalisering av KPFM och BSE SEM. (A) Överlagrade BSE SEM- och KPFM-bilder av en binär Mg-0.3Ge-legering, (B) zoom av överlagrad KPFM Volta-potentialkarta i A som visar de relativa potentialerna för Mg2Ge-sekundärfasen (ljusare, ädlare) och matrisen (mörkare) och (C) linjeskanningsdata för Volta-potentialen som motsvarar det streckade linjeområdet i B visar skillnaden på ~ 400 mV i potential mellan matrisen och Mg2Ge sekundärfas. Denna siffra återges från Liu et al.29. Skalstänger = (A) 10 μm, (B) 5 μm. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 5: Samlokalisering av KPFM, BSE SEM och EDS. A) BSE SEM-bild av ett Cu-Ag-Ti (CuSil) lödprov och (B) motsvarande samlokaliserad KPFM-ytpotentialbild. EDS-elementkartor över det identiska området för den ternära legeringen för (C) titan (Ti) vätningsadditiv, (D) koppar (Cu) och (E) silver (Ag) visas också. Skalstänger = 10 μm. Denna siffra återges från Kvryan et al.30. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; EDS = energidispersiv spektroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: Samlokalisering av KPFM, BSE SEM och EDS i en modifierad legering. Samlokaliserade (A) BSE SEM och (B) KPFM-bilder av Ti-6Al-4V legerade med 0,43% B som visar bildandet av borrika nålar, med motsvarande EDS-kartor över (C) aluminium (Al) och (D) bor (B). Den röda rutan i SEM-bilden anger platsen för KPFM-skanningen. Skalstänger = (A,C,D) 40 μm, (B) 20 μm. Denna siffra är anpassad från Davis et al.31. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; EDS = energidispersiv spektroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: Ytpassivering och differentiellt bilddjup för KPFM jämfört med BSE SEM och EDS. Samlokaliserade (A) BSE SEM och (B) KPFM-bilder av ett Ti-6Al-4V + 1,09% B-prov som utsätts för ASTM F2129-15-testprotokollet. Bildandet av ett tunt passiverande skikt resulterade i en mer enhetlig ytpotential mätt med KPFM jämfört med prover som inte utsattes för ASTM F2129-15-testprotokollet (se figur 6). Samlokaliserade (A) BSE SEM- och (C) EDS-kartor (aluminium, Al; vanadin, V; bor, B) bekräftade mikrostrukturens fassammansättning under den passiva filmen och avsaknaden av uppenbar korrosionsangrepp. Röd ruta i SEM-bilden anger den ungefärliga platsen för motsvarande KPFM-skanning. Skalstänger = (A) 40 μm, (C–E) 25 mm, (B) 20 μm. Denna siffra återges från Davis et al.31. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; EDS = energidispersiv spektroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: Bevis på förmånlig korrosion. (A,B) AFM-topografi och (C,D) BSE SEM-bilder av (A,C,E) 0,04% B och (B,D,F) 1,09% B Ti-6Al-4V-prover med motsvarande (E) aluminium (Al) och syre (O) och (F) bor (B) och syre (O) EDS-kartor. Röda rutor på (C,D) SEM-bilderna anger den ungefärliga platsen för (A,B) motsvarande AFM-bilder. (A,B) Pitting synlig i AFM-topografibilderna visar att korrosion företrädesvis inträffade inom den vanadinrika metastabila β fasen trots dess högre Volta-potential. (B,D,F) Observera också att provet med högre borhalt uppvisade betydligt mindre (och grundare) grop. Skalstänger = (A,B) 20 μm, (E–H) 25 mm, (C,D) 40 μm. Denna siffra återges från Davis et al.31. Förkortningar: AFM = atomkraftsmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; EDS = energidispersiv spektroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 9: Samlokalisering av KPFM, BSE SEM och EBSD. Detaljerad SEM- och KPFM-analys av det område som betecknas av den fasta rektangeln i figur 2. Teknik för att karakterisera α lister genom samlokalisering: (A) BSE-avbildning, (B) AFM-höjdsensor (topografi), (C) EBSD (vita linjer indikerar α-β fasgränser, svarta linjer anger definierade korngränser) och (D) KPFM Volta-potential. Resultaten från linjeskanningar över hyperkartor som indikeras av de vita pilarna i A–D visas för (E) EBSD och (F) KPFM Volta-potential. (G) Sammanfattningar av relativa skillnader i voltapotential visas för tre typer av mätningar: i) inom en enda α lath, ii) över α-α gränser med liknande kornorientering och iii) över α-α gränser med olika kornorientering. (H) Voltapotentialintervall för olika orienteringar före β (en standardavvikelse visas). Skalstänger = (A–D) 5 μm. Denna siffra återges från Benzing et al.32. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; AFM = atomkraftmikroskopi; EBSD = elektron bakåtspridd diffraktion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10: Samlokalisering av KPFM, Ramanmikroskopi, BSE SEM och EDS. Samlokalisering av KPFM, Ramanmikroskopi och SEM/EDS för oxiderad och tvärsnittad (A–D) Zr-2,65Nb legering och (E–H) ren Zr. Uppifrån och ner: (A,E) KPFM Volta-potentialkartor (vänster) med motsvarande representativa VPD-linjeskanningar (höger), (B,F) procent tetragonalitet och (C,G) monokliniska ZrO2-topppositionskartor (indikativ tryckspänning) bestämda via Raman-kartläggning med motsvarande representativa linjeskanningar och (D,H) SEM-bilder med motsvarande EDS-kartor och representativa linjeskanningar. I alla fall indikeras platserna för linjeskanningar med vita pilar i motsvarande exempelbilder. Skalstänger = (A) 10 μm, (D) 50 μm, (E) 6 μm, (H) 20 μm. Denna siffra är anpassad från Efaw et al.47. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; EDS = energidispersiv spektroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11: Samlokalisering av KPFM, BSE SEM och EDS utan Ramanmikroskopi. Samlokalisering av (A) KPFM-höjd (överst) och Volta-potential (nederst) kartor med (B) SEM (överst) och EDS-elementanalys (botten) på ett tvärsnittsprov av oxiderad ren Zr (pre-breakaway). Området där KPFM utfördes indikeras av den streckade linjen orange rektangel i SEM-bilden längst upp till höger, medan de röda cirklarna i KPFM Volta-potentialen och EDS Fe-överflödskartorna indikerar korrelationen mellan höga VPD-regioner och Fe-rika partiklar. Skalstänger = (A) 8 μm, (B) 25 μm. Denna siffra återges från Efaw et al.47. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; SEM = svepelektronmikroskopi; BSE = tillbaka spridd elektron; EDS = energidispersiv spektroskopi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande material: Standardförfarande för Kelvin-sondkraftmikroskopi. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Eftersom KPFM mäter yttopografi och VPD:er med upplösning i nanoskala är provberedning avgörande för att få högkvalitativa KPFM-bilder. De fingraderade poleringsstegen som diskuteras i protokollavsnittet är en optimal utgångspunkt för att uppnå en högkvalitativ slutlig ytfinish för metalllegeringar. Dessutom kan undersökning av ytan efter varje poleringssteg med ett optiskt mikroskop bekräfta förbättrad ytkvalitet (t.ex. minskat antal, storlek och djup på synliga repor), medan efterbehandling med en vibrerande polermaskin ger den bästa slutliga ytkvaliteten. Slutligen måste man överväga lösningsmedelskompatibilitet med provet och monteringsmedlet när man väljer polerföreningar och rengöringsmetoder. Förutom noggrann provberedning kräver samlokalisering av olika karakteriseringstekniker användning av en gemensam referens (dvs. fiducialmärke) för att ange ursprungsplatsen och XY-koordinataxlarnas riktningar (dvs. provorientering / rotation) 6,7,32. Det finns en mängd olika möjliga metoder för att uppnå detta. Den enklaste metoden är att identifiera distinkta, redan existerande funktioner på ytan som kan ses med ögat eller med hjälp av ett optiskt mikroskop. För att denna metod ska fungera måste funktionen ha en väldefinierad, lätt identifierbar ursprungspunkt (t.ex. ett hörn eller utsprång) och uppvisa en tydlig orientering. CuSil-lödprovet som beskrivs här demonstrerade funktioner i mikronskala som uppfyller dessa krav, vilket gör samlokalisering enkel (figur 1 och figur 5) 30. Dessutom gav de distinkta synliga färgerna i de två fasseparerade regionerna insikt i deras sammansättning (dvs. koppar kontra silverrika). Den kanske bästa, mest reproducerbara metoden för att skapa fiducialmärken är nanoindentation, även om detta kräver tillgång till ett fristående nanoindenter- eller AFM-integrerat nanoindentersystem. Nanoindents kan ordnas på olika sätt, men det mest uppenbara är att använda ett indrag som ett ursprung och ytterligare två indrag justerade längs ortogonala axlar för att indikera X- och Y-riktningarna från origo, som visas i AM Ti64-exemplet (figur 2) 32. Slutligen kan fiducialmärken också fastställas genom att skrapa eller markera ytan (t.ex. med en diamantskrivare, rakblad eller mikromanipulatorsondspets; eller outplånligt bläck eller permanent markör). Scratch fiducials kan vara fördelaktigt när distinkta ytfunktioner och / eller en nanoindenter inte är tillgängliga; Dessa metoder kan dock orsaka problem, särskilt vid undersökning av korrosionsegenskaper (t.ex. kan en repa skada ytan och orsaka att den är känslig för korrosion). Om man använder en repfiducial bör man placera repan lite längre från den undersökta ytan för att säkerställa att repan inte påverkar de experimentella resultaten. På samma sätt kan förorening från bläck påverka korrosionsprestanda, och därför används dessa metoder bättre när man studerar andra materialegenskaper än korrosion.
Eftersom kvantifiering av VPD i KPFM beror på appliceringen av både en AC-bias och en DC-nollningspotential, måste vägen från provytan till AFM-chucken vara elektriskt kontinuerlig. Således, om provet på något sätt är elektriskt isolerat från chucken (t.ex. det har en baksidesoxidbeläggning, deponeras på ett icke-ledande substrat eller täcks av epoxi), måste en anslutning göras. En lösning är att använda silverpasta (se materialtabellen) för att dra en linje från provets övre yta till chucken, så att linjen inte har några raster och är helt torr före avbildning. Koppartejp eller ledande koltejp kan också användas för att skapa en liknande elektrisk anslutning. Oavsett vilken metod som används för att upprätta den elektriska anslutningen bör chuckprovets kontinuitet kontrolleras med en multimeter före KPFM-avbildning.
Oxidation eller kontaminering av en metallyta leder till drastiska förändringar i uppmätta VPD: er. Att minimera mängden syre som provet kommer i kontakt med kan sakta ner ytans passivering eller nedbrytning. Ett sätt att förhindra oxidation är att placera AFM i en handskfack med inert atmosfär. Genom att ersätta den syrerika omgivningsmiljön med en inert gas som argon eller kväve kan provytan hållas i ett relativt orört tillstånd under en längre period (figur 3). En ytterligare fördel med att använda en handskfack är eliminering av ytvatten, vilket kan införa upplösta föroreningar, påskynda korrosion eller passivering och försämra upplösningen på grund av behovet av ökade lyfthöjder (se nedan). Dessutom har den uppmätta VPD visat sig vara känslig för den relativa luftfuktigheten15,23, och det är därför viktigt att övervaka (och helst rapportera) den relativa luftfuktigheten om KPFM-experiment utförs under omgivande förhållanden.
Beroende på vilken AFM som används (se materialförteckningen) och det KPFM-implementeringsläge som används, kommer de tillgängliga bildparametrarna och nomenklaturen att variera. Vissa allmänna riktlinjer kan dock formuleras. KPFM kombinerar AFM-topografi med VPD-mätningar. Således är en bra topografibild ett viktigt första steg, med ett börvärde valt för att minimera spetsprovkraften (och därmed risken för spetsslitage och provskador) samtidigt som man upprätthåller högkvalitativ spårning av topografin (genom att optimera samspelet mellan vinsterna och börvärdet). Med andra ord, oberoende av topografiavbildningsläget, måste användaren bestämma en balans mellan tillräcklig interaktion med ytan utan att skada provet eller sonden (särskilt om den är metallbelagd). Dessutom, om provet är smutsigt eller inte polerat väl, kan sondspetsen komma i kontakt med skräp, vilket resulterar i en trasig spets eller spetsartefakter. Det är också absolut nödvändigt att undvika topografiska artefakter i KPFM Volta-potentialkanalen, vilket lättare uppnås i ett KPFM-läge med dubbla pass som det som beskrivs här. Optimal KPFM-avbildning kräver en balans mellan lägre och högre lyfthöjder, eftersom KPFM: s laterala upplösning minskar med ökande lyfthöjd, men kortdistans van der Waals-krafter (som är ansvariga för de spetsprovinteraktioner som ligger till grund för AFM-topografimätningar) kan producera instabiliteter som påverkar mätningen av den elektrostatiska interaktionen med längre räckvidd vid lägre lyfthöjder. Att arbeta i en handskfack med inert atmosfär som beskrivits ovan kan vara fördelaktigt i detta avseende, eftersom eliminering av ytvattenskiktet tar bort dess bidrag till spetsprovinteraktionen för förbättrad återkoppling, vilket möjliggör lägre KPFM-lyfthöjder och förbättrad rumslig upplösning, med den ytterligare fördelen med mer reproducerbara VPD: er på grund av konstant (i huvudsak noll) fuktighet och minskad laddningsscreening. På samma sätt kan minskad ytjämnhet (dvs. bättre polering) möjliggöra lägre lyfthöjder och resultera i förbättrad KPFM-upplösning, eftersom en bra tumregel för att undvika topografiska artefakter är att ställa in lyfthöjden ungefär lika med höjden på de högsta ytfunktionerna med högt bildförhållande som finns i skanningsområdet. En annan faktor som spelar in för att bestämma den optimala lyfthöjden är sondens oscillationsamplitud under lyftläget-större amplitud ger större känslighet för små VPD: er, men till en kostnad av att kräva större lyfthöjder för att undvika topografiska artefakter eller slå ytan (ofta synliga som plötsliga spikar i lyftskanningsfasen). Återigen, ju mjukare ytan är, desto lägre lyfthöjd kan uppnås för en given oscillationsamplitud, vilket förbättrar både rumslig upplösning och Volta-potentialkänslighet - bra provberedning är nyckeln. Slutligen, när man tar en KPFM-bild, bör man komma ihåg att en större skanningsstorlek möjliggör mer provtäckning men på bekostnad av ökad skanningstid, eftersom långsamma skanningshastigheter krävs för att möjliggöra noggrann mätning av Volta-potentialer av detekteringselektroniken.
Slutsats om den relativa adeln hos mikrostrukturer som observerats på ytan av ett ledande material kan göras från VPD: er uppmätta med KPFM (t.ex. mikrogalvaniska par, intergranulär korrosion, gropkorrosion). De absoluta Volta-potentialerna för material som rapporteras i litteraturen varierar dock mycket 18,24,27. Denna brist på reproducerbarhet har resulterat i feltolkningar om olika materialsystem och deras korrosionsbeteende23,25. Som ett resultat, för bestämning av absoluta Volta-potentialer (dvs. arbetsfunktioner) eller jämförelse av VPD: er uppmätta över laboratorier, sonder eller dagar, är kalibrering av KPFM-sondens arbetsfunktion i förhållande till ett inert material (t.ex. guld) viktigt 25,48. En studie från 2019 av några av författarna undersökte olika KPFM-sonder och visade variationen i den resulterande uppmätta VPD mellan dessa sonder och en aluminium-kisel-guld (Al-Si-Au) standard. Skillnader i arbetsfunktion observerades till och med för enskilda sonder av samma nominella material och design (figur 12)25. Som ett bevis på konceptet användes 316L rostfritt stål sammanfogat av en CuSil-lödning som tidigare refererats som ett exemplariskt material för att mäta absoluta VPD: er eller arbetsfunktioner. Data från 2016-arbetet av Kvryan et al.30 jämfördes med KPFM VPDs erhållna på samma prov med en mängd olika sonder och användes för att analysera de inre lödda Volta-potentialerna. Genom att kalibrera sondens arbetsfunktion med hjälp av Au-delen av Al-Si-Au-standarden som referensfunktion förbättrades repeterbarheten för den uppmätta VPD:n för lödfaserna med över en storleksordning, från flera hundra millivolt (figur 12A) till tiotals millivolt (figur 12C). Ytterligare förbättringar i kalibreringen kan realiseras genom att direkt mäta den inerta referensens arbetsfunktion (t.ex. via fotoemissionsspektroskopi eller Auger-elektronspektroskopi) eller beräkna arbetsfunktionen med hjälp av täthetsfunktionalteori25,48.
Figur 12: Effekt av sondkalibrering på KPFM Volta potentiell reproducerbarhet. (A) VPD:er för kopparrika och silverrika regioner inom CuSil-lödprovet som erhållits i förhållande till tre olika PFQNE-AL-sonder. (B) VPD:er för samma tre sonder i förhållande till gulddelen av Al-Si-Au-standarden som presenteras på den vänstra ordinataxeln, med resulterande modifierade PFQNE-AL-arbetsfunktionsvärden som presenteras på den högra ordinataxeln, beräknat utifrån täthetsfunktionalteori. (C) Absoluta VPD:er i de kopparrika och silverrika områden som erhålls genom att skala de uppmätta VPD:erna i förhållande till guldet i Al-Si-Au-standarden som avbildas före avbildning av lödprovet. Den vänstra ordinataxeln (beräknad med ekvationen ovanför panel C) indikerar VPD mellan lödprovfaserna och guldstandarden. Den högra ordinataxeln (beräknad med ekvationen under panel C) presenterar den resulterande modifierade arbetsfunktionen för varje fas baserat på sondens modifierade arbetsfunktion beräknad i panel B. Denna siffra återges från Efaw et al.25. Förkortningar: KPFM = Kelvin sondkraftmikroskopi; VPD = Volta potentialskillnad. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Sammanfattningsvis kan samlokaliseringen av KPFM Volta-potentialkartor med avancerade SEM-tekniker, inklusive SE-bilder, BSE-bilder, EDS-elementkompositionskartor och EBSD-inversa polfigurer ge insikt i struktur-egenskap-prestanda-relationer. På samma sätt kan andra karakteriseringstekniker i nano- till mikroskala som skanningskonfokal Raman-mikroskopi också samlokaliseras för att ge ytterligare strukturell insikt. Men vid samlokalisering av flera karakteriseringsverktyg är provberedning avgörande, inklusive både minimering av ytjämnhet och skräp, samt identifiering eller skapande av tillförlitliga fiducialmarkörer för att indikera provbildens ursprung och axlar (dvs. orientering eller rotation). Dessutom måste den potentiella effekten av en given karakteriseringsteknik på efterföljande mätningar beaktas, och av denna anledning är det att föredra att KPFM (som är både icke-förstörande och mycket känsligt för ytkontaminering) utförs först före andra karakteriseringsmetoder. Slutligen är det viktigt att minimera ytföroreningar, ta hänsyn till och övervaka (eller ännu bättre, eliminera) de förvirrande effekterna av testmiljön (t.ex. omgivande luftfuktighet) och korrekt kalibrera KPFM-sondens arbetsfunktion för att möjliggöra tillförlitlig, meningsfull jämförelse av KPFM Volta-potentialmätningar som rapporterats i litteraturen. För detta ändamål rekommenderas användning av en handskfack med inert atmosfär för att hysa AFM-systemet (eller, om det inte är tillgängligt, med en annan form av fuktkontroll / lågfuktig miljö) och en guld- eller annan inert referensmaterialstandard med en väl karakteriserad arbetsfunktion för sondkalibrering.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter att avslöja.
Acknowledgments
Förutom vad som specifikt anges nedan utfördes all AFM- och KPFM-avbildning i Boise State University Surface Science Laboratory (SSL), liksom den samlokaliserade skanningskonfokala Raman-mikroskopi, med samlokaliserad SEM / EDS-avbildning utförd i Boise State Center for Materials Characterization (BSCMC). Handskfacket AFM-systemet som användes i mycket av detta arbete köptes under National Science Foundation Major Research Instrumentation (NSF MRI) Grant Number 1727026, som också gav delvis stöd för PHD och OOM, medan Raman-mikroskopet köptes med finansiering från Micron Technology Foundation. Författarna tackar Micron Technology för användningen av deras handskfack AFM-system för att säkra preliminära data för MR-anslaget, inklusive förvärv av KPFM-bilder av den inerta atmosfären av den binära MgLa-legeringen som visas i figur 3 i detta manuskript. Delvis stöd för OOM och MFH tillhandahölls också av NSF CAREER Grant Number 1945650, medan CME och MFH erkänner ytterligare finansiering från NASA Idaho Space Grant Consortium EPSCoR Seed Grant. FWD stöddes av Center for Integrated Nanotechnologies, en användaranläggning vid Department of Energy Office of Basic Energy Sciences. Sandia National Laboratories är ett multimissionslaboratorium som förvaltas och drivs av National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, ett helägt dotterbolag till Honeywell International Inc., för US Department of Energy National Nuclear Security Administration under kontrakt DE-NA0003525.
Författarna tackar Jasen B. Nielsen för beredningen av lödproverna för KPFM-avbildning. Den binära MgLa-legeringen (figur 3) tillhandahölls av Nick Birbilis, tidigare vid Monash University, Australien, med stöd från US Army Research Laboratory (avtalsnummer W911NF-14-2-0005). Kari (Livingston) Higginbotham är tacksamt erkänd för sina KPFM-avbildnings- och analysbidrag till Cu-Ag-Ti-lödprovet. Nik Hrabe och Jake Benzing från National Institute of Standards and Technology (NIST) är erkända för användbara diskussioner, liksom deras omfattande bidrag till att förbereda (inklusive utskrift, polering och skapande av nanoindentationsfiducials) och utföra SEM / EBSD-analys vid NIST på AM Ti-6Al-4V-provet medan Jake Benzing höll ett National Research Council Postdoctoral Research Associateship.
Detta dokument beskriver objektiva tekniska resultat och analyser. Alla subjektiva åsikter eller åsikter som kan uttryckas i tidningen är författarens / författarnas och representerar inte nödvändigtvis åsikterna från US Department of Energy, National Aeronautics and Space Administration, National Institute of Standards and Technology, National Science Foundation eller USA: s regering.
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. |
References
- Borgani, R., et al. Intermodulation electrostatic force microscopy for imaging surface photo-voltage. Applied Physics Letters. 105 (14), 143113 (2014).
- Femenia, M., Canalias, C., Pan, J., Leygraf, C. Scanning Kelvin probe force microscopy and magnetic force microscopy for characterization of duplex stainless steels. Journal of the Electrochemical Society. 150 (6), 274 (2003).
- Sathirachinda, N., Pettersson, R., Pan, J. Depletion effects at phase boundaries in 2205 duplex stainless steel characterized with SKPFM and TEM/EDS. Corrosion Science. 51 (8), 1850-1860 (2009).
- Kvryan, A., et al. Corrosion initiation and propagation on carburized martensitic stainless steel surfaces studied via advanced scanning probe microscopy. Materials. 12 (6), 940 (2019).
- Kharitonov, D. S., et al. Surface and corrosion properties of AA6063-T5 aluminum alloy in molybdate-containing sodium chloride solutions. Corrosion Science. 171, 108658 (2020).
- Green, C. M., Hughes, W. L., Graugnard, E., Kuang, W. Correlative super-resolution and atomic force microscopy of DNA nanostructures and characterization of addressable site defects. ACS Nano. 15 (7), 11597-11606 (2021).
- Klein, W. P., et al. Multiscaffold DNA origami nanoparticle waveguides. Nano Letters. 13 (8), 3850-3856 (2013).
- Heusler, K. E., Landolt, D., Trasatti, S. Electrochemical corrosion nomenclature (Recommendations). Pure and Applied Chemistry. 61 (1), 19-22 (1988).
- Jones, D. Principles and Prevention of Corrosion. 2nd ed. , Prentice Hall. Hoboken, NJ. (1996).
- Nonnenmacher, M., O'Boyle, M., Wickramasinghe, H. K. Kelvin probe force microscopy. Applied Physics Letters. 58 (25), 2921-2923 (1991).
- Voigtländer, B. Work function, contact potential, and Kelvin probe AFM. Atomic Force Microscopy. NanoScience and Technology. , Springer. Cham. (2019).
- Melitz, W., Shen, J., Kummel, A. C., Lee, S. Kelvin probe force microscopy and its application. Surface Science Reports. 66 (1), 1-27 (2011).
- Bagotsky, V. S. Fundamentals of electrochemistry. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. (2006).
- Bockris, J. O. M., Reddy, A. K. N., Gamboa-Aldeco, M. Modern Electrochemistry 2A: Fundamentals of electrodics. , Kluwer Academic Publishers. (2002).
- Schmutz, P., Frankel, G. S. Characterization of AA2024-T3 by scanning Kelvin probe force microscopy. Journal of the Electrochemical Society. 145 (7), 2285-2295 (1998).
- Blucher, D. B., Svensson, J. E., Johansson, L. G., Rohwerder, M., Stratmann, M. Scanning Kelvin probe force microscopy - A useful tool for studying atmospheric corrosion of MgAl alloys in situ. Journal of the Electrochemical Society. 151 (12), 621-626 (2004).
- Guillaumin, V., Schmutz, P., Frankel, G. S. Characterization of corrosion interfaces by the scanning Kelvin probe force microscopy technique. Journal of the Electrochemical Society. 148 (5), 163-173 (2001).
- Hurley, M. F., et al. Volta potentials measured by scanning Kelvin probe force microscopy as relevant to corrosion of magnesium alloys. Corrosion. 71 (2), 160-170 (2015).
- Jonsson, M., Thierry, D., LeBozec, N. The influence of microstructure on the corrosion behaviour of AZ91D studied by scanning Kelvin probe force microscopy and scanning Kelvin probe. Corrosion Science. 48 (5), 1193-1208 (2006).
- Örnek, C., Engelberg, D. L. Correlative EBSD and SKPFM characterisation of microstructure development to assist determination of corrosion propensity in grade 2205 duplex stainless steel. Journal of Materials Science. 51 (4), 1931-1948 (2016).
- Rohwerder, M., Hornung, E., Stratmann, M. Microscopic aspects of electrochemical delamination: An SKPFM study. Electrochimica Acta. 48 (9), 1235-1243 (2003).
- Schmutz, P., Frankel, G. S. Corrosion study of AA2024-T3 by scanning Kelvin probe force microscopy and in situ atomic force microscopy scratching. Journal of the Electrochemical Society. 145 (7), 2295-2306 (1998).
- Örnek, C., Leygraf, C., Pan, J. On the Volta potential measured by SKPFM - Fundamental and practical aspects with relevance to corrosion science. Corrosion Engineering, Science and Technology. 54 (3), 185-198 (2019).
- Cook, A. B., et al. Calibration of the scanning Kelvin probe force microscope under controlled environmental conditions. Electrochimica Acta. 66, 100-105 (2012).
- Efaw, C. M., et al. Toward improving ambient Volta potential measurements with SKPFM for corrosion studies. Journal of the Electrochemical Society. 166 (11), 3018-3027 (2019).
- Örnek, C., Leygraf, C., Pan, J. Passive film characterisation of duplex stainless steel using scanning Kelvin probe force microscopy in combination with electrochemical measurements. npj Materials Degradation. 3 (1), 8 (2019).
- Rohwerder, M., Turcu, F. High-resolution Kelvin probe microscopy in corrosion science: Scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM) versus classical scanning Kelvin probe (SKP). Electrochimica Acta. 53 (2), 290-299 (2007).
- Mallinson, C. F., Watts, J. F. Communication-The effect of hydrocarbon contamination on the Volta potential of second phase particles in beryllium. Journal of the Electrochemical Society. 163 (8), 420-422 (2016).
- Liu, R. L., et al. Controlling the corrosion and cathodic activation of magnesium via microalloying additions of Ge. Scientific Reports. 6, 28747 (2016).
- Kvryan, A., et al. Microgalvanic corrosion behavior of Cu-Ag active braze alloys investigated with SKPFM. Metals. 6, 91-107 (2016).
- Davis, P. H., et al. Phase separation in Ti-6Al-4V alloys with boron additions for biomedical applications: Scanning Kelvin probe force microscopy investigation of microgalvanic couples and corrosion initiation. JOM. 69 (8), 1446-1454 (2017).
- Benzing, J. T., et al. Impact of grain orientation and phase on Volta potential differences in an additively-manufactured titanium alloy. AIP Advances. 11 (2), 025219 (2021).
- Baker, H., Avedesian, M. M. Magnesium and Magnesium Alloys ASM Specialty Handbook. , ASM International. Materials Park, OH. (1999).
- Polmear, I. J., Nie, J. -F., Qian, M., St. John, D. Light Alloys: Metallurgy of the Light Metals. , Butterworth-Heinemann. Oxford, UK. (2017).
- Saha, P., et al. Rechargeable magnesium battery: Current status and key challenges for the future. Progress in Materials Science. 66, 1-86 (2014).
- Jacobson, D. M., Humpston, G. Principles of Brazing. , ASM International. Materials Park, OH. (2005).
- Paiva, O. C., Barbosa, M. A. Microstructure, mechanical properties and chemical degradation of brazed AISI 316 stainless steel/alumina systems. Materials Science and Engineering: A. 480 (1-2), 306-315 (2008).
- Kozlova, O., Voytovych, R., Devismes, M. F., Eustathopoulos, N. Wetting and brazing of stainless steels by copper-silver eutectic. Materials Science and Engineering: A. 495 (1-2), 96-101 (2008).
- Boyer, R. R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry. Materials Science and Engineering: A. 213 (1), 103-114 (1996).
- Gurrappa, I. Characterization of titanium alloy Ti-6Al-4V for chemical, marine and industrial applications. Materials Characterization. 51 (2), 131-139 (2003).
- Leyens, C., Peters, M. Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications. , John Wiley & Sons. Hoboken, NJ. (2003).
- Elias, C. N., Lima, J. H. C., Valiev, R., Meyers, M. A. Biomedical applications of titanium and its alloys. JOM. 60 (3), 46-49 (2008).
- Mohammed, M. T., Khan, Z. A., Siddiquee, A. N. Beta titanium alloys: The lowest elastic modulus for biomedical applications: A review. International Journal of Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering. 8 (8), 821-827 (2014).
- Oezcan, M., Haemmerle, C. Titanium as a reconstruction and implant material in dentistry: Advantages and pitfalls. Materials. 5 (9), 1528-1545 (2012).
- Tan, X., et al. Graded microstructure and mechanical properties of additive manufactured Ti-6Al-4V via electron beam melting. Acta Materialia. 97, 1-16 (2015).
- Cox, B. Pellet-clad interaction (PCI) failures of zirconium alloy fuel cladding - A review. Journal of Nuclear Materials. 172 (3), 249-292 (1990).
- Efaw, C. M., et al. Characterization of zirconium oxides part II: New insights on the growth of zirconia revealed through complementary high-resolution mapping techniques. Corrosion Science. 167, 108491 (2020).
- Castanon, E. G., et al. Calibrated Kelvin-probe force microscopy of 2D materials using Pt-coated probes. Journal of Physics Communications. 4 (9), 095025 (2020).
