Colocalisation de la microscopie à force de sonde Kelvin avec d’autres microscopies et spectroscopies : applications sélectionnées dans la caractérisation de la corrosion des alliages

Résumé

La microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM) mesure la topographie de surface et les différences de potentiel de surface, tandis que la microscopie électronique à balayage (MEB) et les spectroscopies associées peuvent élucider la morphologie, la composition, la cristallinité et l’orientation cristallographique de la surface. En conséquence, la co-localisation du SEM avec KPFM peut donner un aperçu des effets de la composition et de la structure de surface à l’échelle nanométrique sur la corrosion.

Résumé

La microscopie à force de la sonde Kelvin (KPFM), parfois appelée microscopie de potentiel de surface, est la version nanométrique de la vénérable sonde Kelvin à balayage, qui mesurent toutes deux la différence de potentiel Volta (VPD) entre une pointe de sonde oscillante et une surface d’échantillon en appliquant une tension nulle égale en magnitude mais de signe opposé à la différence de potentiel pointe-échantillon. En scannant une sonde KPFM conductrice sur une surface d’échantillon, les variations à l’échelle nanométrique de la topographie et du potentiel de surface peuvent être cartographiées, identifiant les régions anodiques et cathodiques probables, ainsi que quantifiant la force motrice inhérente au matériau pour la corrosion galvanique.

La colocalisation ultérieure des cartes de potentiel KPFM Volta avec des techniques avancées de microscopie électronique à balayage (MEB), y compris des images d’électrons rétrodiffusés (ESB), des cartes de composition élémentaire par spectroscopie dispersive d’énergie (EDS) et des figures de pôle inverse de diffraction rétrodiffusée d’électrons (EBSD) peut fournir un aperçu supplémentaire des relations structure-propriété-performance. Ici, les résultats de plusieurs études co-localisant KPFM avec SEM sur une grande variété d’alliages d’intérêt technologique sont présentés, démontrant l’utilité de combiner ces techniques à l’échelle nanométrique pour élucider l’initiation et la propagation de la corrosion.

Les points importants à considérer et les pièges potentiels à éviter dans de telles études sont également mis en évidence : en particulier, l’étalonnage de la sonde et les effets confusionnels potentiels sur les MEV mesurés de l’environnement d’essai et de la surface de l’échantillon, y compris l’humidité ambiante (c.-à-d. l’eau adsorbée), les réactions de surface/oxydation de surface et le polissage des débris ou d’autres contaminants. En outre, un exemple de colocalisation d’une troisième technique, la microscopie Raman confocale à balayage, est fourni pour démontrer l’applicabilité générale et l’utilité de la méthode de colocalisation pour fournir un aperçu structurel supplémentaire au-delà de celui offert par les techniques basées sur la microscopie électronique.

Introduction

La caractérisation microscopique des matériaux est d’une importance fondamentale pour comprendre et développer de nouveaux matériaux. De nombreuses méthodes de microscopie fournissent des cartes des surfaces des matériaux et de leurs propriétés, y compris la topographie, l’élasticité, la déformation, la conductivité électrique et thermique, le potentiel de surface, la composition élémentaire et l’orientation cristalline. Cependant, l’information fournie par une modalité de microscopie est souvent insuffisante pour comprendre pleinement l’ensemble des propriétés qui peuvent contribuer au comportement matériel d’intérêt. Dans certains cas, des microscopes avancés ont été construits avec des capacités de caractérisation combinées, comme une plate-forme de microscope optique inversé qui incorpore un microscope à force atomique (AFM) ou utilisant plusieurs modalités de sonde à balayage (p. ex. microscopie à force de sonde Kelvin [KPFM] ou microscopie à force électrostatique d’intermodulation [ImEFM¹], mesures du potentiel de surface et microscopie à force magnétique [MFM])^{2,3,4, 5} pour caractériser un échantillon sur la même AFM. Plus généralement, on aimerait combiner les informations de deux microscopes distincts pour obtenir des corrélations structure-propriété ^6,7. La co-localisation de la microscopie à force de sonde Kelvin à balayage avec les microscopies électroniques à balayage et les microscopies et spectroscopies basées sur Raman est présentée ici pour illustrer un processus de corrélation d’informations obtenues à partir de deux microscopes distincts ou plus au moyen d’un exemple d’application spécifique, à savoir, la caractérisation multimodale des alliages métalliques pour comprendre le comportement à la corrosion.

La corrosion est le processus par lequel les matériaux réagissent chimiquement et électrochimiquement avec leur environnement⁸. La corrosion électrochimique est un processus spontané (c’est-à-dire thermodynamiquement favorable, entraîné par une diminution nette de l’énergie libre) impliquant un transfert d’électrons et de charges qui se produit entre une anode et une cathode en présence d’un électrolyte. Lorsque la corrosion se produit sur une surface métallique ou alliée, les régions anodiques et cathodiques se développent en fonction des variations de la composition des caractéristiques microstructurales dans un processus connu sous le nom de corrosion micro-galvanique⁹. Grâce à l’utilisation de techniques de caractérisation colocalisées à l’échelle nanométrique, les méthodes décrites ici fournissent une voie expérimentale pour identifier les couples micro-galvaniques probables entre une grande variété de caractéristiques microstructurales des alliages, fournissant des informations potentiellement utiles pour l’atténuation de la corrosion et le développement de nouveaux matériaux. Les résultats de ces expériences peuvent déterminer quelles caractéristiques microstructurales à la surface de l’alliage sont susceptibles de servir de sites anodiques locaux (c.-à-d. sites d’oxydation) ou de cathodes (c.-à-d. sites de réduction) pendant la corrosion active, ainsi que fournir de nouvelles informations sur les caractéristiques à l’échelle nanométrique de l’initiation et des réactions de corrosion.

KPFM est une technique de caractérisation de microscopie à sonde à balayage (SPM) basée sur AFM qui peut générer une topographie simultanée (ou séquentielle ligne par ligne) et des cartes de différence de potentiel Volta (VPD) d’une surface d’échantillon avec des résolutions de l’ordre de 10 nanomètres et millivolts, respectivement¹⁰. Pour ce faire, KPFM utilise une sonde AFM conductrice avec une pointe à l’échelle nanométrique. En règle générale, la sonde suit d’abord les variations topographiques de la surface de l’échantillon, puis s’élève à une hauteur définie par l’utilisateur au-dessus de la surface de l’échantillon avant de retracer la ligne topographique pour mesurer le VPD entre la sonde et l’échantillon (c.-à-d. le potentiel relatif de Volta de la surface de l’échantillon). Bien qu’il existe plusieurs façons de mettre en œuvre pratiquement les mesures KPFM, fondamentalement, la détermination du VPD est effectuée en appliquant simultanément à la fois un biais AC (dans l’implémentation présentée, à la sonde) et un biais DC variable (dans l’implémentation présentée, à l’échantillon) pour annuler la différence de potentiel pointe-échantillon comme indiqué en annulant l’oscillation de la sonde à la fréquence de polarisation AC appliquée (ou ses fréquences de somme et de différence amplifiées par hétérodyne sur de chaque côté de la fréquence de résonance mécanique naturelle de la sonde) ¹¹. Quelle que soit la méthode de mise en œuvre, KPFM produit une topographie à haute résolution spatiale latérale corrélée et des cartes VPD sur une surface métallique¹².

Le DPV mesuré via KPFM est directement corrélé à la différence de fonction de travail entre l’échantillon et la sonde, et en outre, les tendances VPD (généralement) avec le potentiel d’électrode dans la solution^13,14,15. Cette relation peut être utilisée pour déterminer le comportement attendu (local) des électrodes des caractéristiques microstructurales en fonction du VPD et a été explorée pour un certain nombre de systèmes de corrosion par alliages métalliques 15,16,17,18,19,20,21,22 . De plus, le VPD mesuré est sensible à la composition locale, aux couches superficielles et à la structure grain/cristal/défaut, et fournit donc une élucidation à l’échelle nanométrique des caractéristiques qui devraient déclencher et entraîner des réactions de corrosion sur une surface métallique. Il convient de noter que le VPD (Ψ) est lié au potentiel de surface (χ) (non mesurable), mais distinct de celui-ci, tel que décrit plus en détail dans la littérature 13,14^, y compris des diagrammes utiles et des définitions précises de la terminologie électrochimique correcte²³. Les progrès récents dans l’application de KPFM aux études de corrosion ont considérablement amélioré la qualité et la répétabilité des données acquises grâce à un examen attentif de l’influence de la préparation des échantillons, des paramètres de mesure, du type de sonde et de l’environnement externe^24,25,26,27.

L’un des inconvénients de KPFM est que, bien qu’il génère une carte de résolution à l’échelle nanométrique du VPD de surface, il ne fournit aucune information directe sur la composition et, par conséquent, la corrélation entre les variations du VPD et les différences de composition élémentaire doit être fournie par co-localisation avec des techniques de caractérisation complémentaires. En colocalisant KPFM avec le MEB, la spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS), la diffraction rétrodiffusée d’électrons (EBSD) et / ou la spectroscopie Raman, ces informations de composition et / ou structurelles peuvent être déterminées. Cependant, la colocalisation des techniques à l’échelle nanométrique peut être difficile en raison du grossissement extrême de l’imagerie, des différences de champ de vision et de résolution, et des interactions des échantillons pendant la caractérisation²⁸. L’obtention d’images à l’échelle nanométrique et microscopique de la même région d’un échantillon sur différents instruments nécessite une grande précision et une planification minutieuse pour colocaliser les techniques et minimiser les artefacts dus à une contamination croisée possible pendant la caractérisation séquentielle^18,28.

L’objectif de cet article est de définir une méthode systématique de co-localisation de l’imagerie KPFM et SEM, cette dernière pouvant être remplacée par d’autres techniques de caractérisation telles que l’EDS, l’EBSD ou la spectroscopie Raman. Il est nécessaire de comprendre l’ordre approprié des étapes de caractérisation, les effets environnementaux sur la résolution KPFM et les MEV mesurés, l’étalonnage de la sonde KPFM et diverses stratégies qui peuvent être utilisées pour co-localiser avec succès la MEB ou d’autres techniques avancées de microscopie et de spectroscopie avec KPFM. En conséquence, une procédure généralisée étape par étape pour la co-localisation SEM avec KPFM est fournie, suivie de travaux exemplaires de cette co-localisation ainsi que de conseils et astuces utiles pour obtenir des résultats significatifs. Plus généralement, la procédure décrite ici devrait servir à décrire un processus largement applicable pour la colocalisation d’images/cartes de propriétés obtenues à partir d’autres modalités de microscopie avec KPFM et d’autres modes AFM afin d’obtenir des relations structure-propriété utiles dans une variété de systèmes de matériaux 6,7,29,30,31,32.

Protocole

1. Exemple de préparation d’échantillon pour l’imagerie co-localisée d’un alliage métallique

1. Préparer des échantillons suffisamment petits pour répondre aux exigences dimensionnelles de l’AFM et des autres outils de caractérisation à utiliser (p. ex., dans le cas de l’AFM utilisé ici, voir le tableau des matériaux, s’assurer que les échantillons ont une hauteur <18 mm pour tenir sous la tête AFM), sont suffisamment lisses sur le fond pour sceller contre le vide de mandrin de l’étage AFM; présentent une rugosité de surface minimale sans débris en vrac et fournissent un chemin conducteur de la base à la surface supérieure.
   1. Couper les échantillons à des dimensions acceptables et les incorporer dans de l’époxy compatible avec le vide poussé (voir le tableau des matériaux; un moule cylindrique de ~25 mm de diamètre est typique).
2. Polir les échantillons à la rugosité de surface à l’échelle nanométrique.
   NOTE: Une méthode de polissage représentative est fournie; Voir les références ci-dessous pour les méthodes de polissage alternatives utilisées pour des matériaux ou des échantillons spécifiques. L’exemple de méthode de polissage ci-dessous utilise le polissage à la main à l’aide d’une roue de polissage.
   1. Commencez avec des grains plus grossiers et travaillez progressivement vers des disques abrasifs en carbure de silicium plus fins.
      1. Travaillez des disques abrasifs en carbure de silicium grossiers à grains fins (par exemple, ANSI Standard 120 grit à 1200 granits), en passant 5 minutes à chaque niveau de grain. Entre chaque niveau de grain, vérifiez l’échantillon au microscope optique pour confirmer visuellement que les rayures sont minimes ou nulles.
         REMARQUE: Les papiers abrasifs à grain 120 et 1200 grains standard ANSI correspondent respectivement aux normes européennes P-Grade P120 et P4000.
   2. Polir à la main pendant 10 min en utilisant une suspension de diamant non aqueuse de 1 μm, suivie d’une suspension de diamant de 0,05 μm.
   3. À l’aide d’un polisseur vibratoire, polir l’échantillon pendant 24 h avec un polissage aqueux à la silice colloïdale de 0,05 μm ou 0,08 μm.
      REMARQUE: L’utilisation d’un polisseur vibratoire permet une finition plus fine que le polissage à la main et se traduira par des images KPFM de meilleure qualité.
   4. Si le matériau à l’étude ne subit pas d’oxydation rapide, rincer l’échantillon avec de l’eau désionisée (ou un autre solvant approprié moins oxydant tel qu’un alcool anhydre) avant de le sonifier dans un bécher avec un solvant approprié (p. ex. éthanol, selon les composés époxy et de polissage utilisés, ainsi que la composition de l’alliage) pour éliminer tout composé de polissage résiduel ou débris de matériau.
   5. Retirer l’échantillon du sonicateur, rincer avec un solvant et sécher avec de l’air comprimé ou de l’azote gazeux comprimé de très haute pureté (UHP, 99,999%).
   6. Utilisez la microscopie optique pour déterminer si le vernis est suffisant. Assurez-vous que l’échantillon n’a pratiquement aucune rayure visible sur la surface (idéalement ressemble à un miroir).
3. Mettre en œuvre la méthode de colocalisation souhaitée pour créer une origine et des axes (c.-à-d. emplacement/enregistrement de l’échantillon et orientation/rotation).
   REMARQUE: Les méthodes de colocalisation possibles incluent un réseau nanoindent, un fiducial scratch, un point d’encre indélébile ou une autre caractéristique facilement reconnaissable dans les systèmes optiques des microscopes à co-localiser. Voir la figure 1 pour un exemple de caractéristiques optiques facilement reconnaissables visibles après polissage.
   1. Effectuer la nanoindention avant ou après le polissage à l’aide d’un nanopénétrateur instrumenté commercial pour produire des marqueurs fiduciaires reconnaissables (Figure 2).
   2. Vous pouvez également créer des points d’encre ou des rayures (par exemple, avec une sonde micromanipulatrice, une lame de rasoir ou un scribe en losange) après le polissage. Si des essais de corrosion doivent être effectués ultérieurement sur l’échantillon, évitez ces méthodes.

Figure 1 : Images colocalisées du microscope optique et du KPFM. (A) microscope optique et (B) image KPFM agrandie de la région en boîte dans A d’un brasage Cu-Ag-Ti (CuSil) montrant des signes évidents de domaines séparés en phase riches en cuivre et en argent dans l’alliage de brasage, suffisamment distincts pour être identifiés par l’œil³⁰. Barres d’échelle: (A) 25 μm, (B) 7 μm. Abréviation : KPFM = Kelvin probe force microscopy. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Fiduciaires de nanoindentation pour la colocalisation du KPFM et de la microscopie électronique. La création d’un motif asymétrique de trois marques fiduciaires (étiquetées 1-3 et indiquées par deux cercles pour les axes XY et un triangle pour l’origine) par un nanopénétrateur équipé d’une sonde Berkovich en diamant a permis d’analyser la même région d’intérêt à l’aide de multiples techniques de caractérisation : (A) imagerie SEM SE, (B) imagerie SEM ESB, et les mesures EBSD de (C) α-Ti et (D) β-Ti. La zone indiquée par le carré incliné et pointillé dans les panneaux A-D a ensuite été caractérisée avec AFM/KPFM pour produire des images potentielles (E) et (F) Volta. Les petits rectangles pleins et pointillés de A à D représentent des zones de balayage KPFM de plus haute résolution analysées plus en détail (voir Figure 9). Cette figure est reproduite à partir de Benzing et ^coll.32. Barres d’échelle = 20 μm. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; SE = électron secondaire; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; EBSD = diffraction rétrodiffusée d’électrons; AFM = microscopie à force atomique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

2. Imagerie KPFM

1. Allumez l’AFM et ouvrez le logiciel de contrôle correspondant (spécifique à l’AFM, voir le tableau des matériaux et la procédure opérationnelle standard (SOP) KPFM inclus dans les documents supplémentaires). Dans la fenêtre Select Experiment (Sélectionner une expérience) qui s’ouvre, sélectionnez la catégorie d’expérience, le groupe d’expériences et l’expérience appropriés (modes de levage électrique et magnétique, électrique et magnétique et PeakForce KPFM dans ce cas ; voir la figure 1 dans la POS Matériaux supplémentaires), puis cliquez sur Charger l’expérience pour ouvrir le flux de travail souhaité. Une fois le workflow d’expérimentation ouvert, cliquez sur Configuration dans le workflow.
2. Montez et fixez une sonde AFM conductrice sur le support de sonde approprié (voir le tableau des matériaux), installez le support de sonde sur la tête AFM et alignez le laser à l’arrière du porte-à-faux de la sonde et dans le détecteur sensible à la position (PSD). (Voir les POS dans les documents supplémentaires pour plus de détails et des images des procédures de chargement de la sonde et d’alignement laser).
   REMARQUE: Assurez-vous que le support de sonde choisi fournit un chemin électrique continu de la sonde à l’AFM pour la polarisation.
   1. Chargez délicatement la sonde sur le porte-sonde. Retirez la tête AFM. Installez la sonde et le support de sonde en alignant les trous du porte-sonde avec les broches de contact sur la tête. Réinstallez la tête sur l’AFM et fixez-la en place.
      REMARQUE: Les décharges électrostatiques (ESD) peuvent facilement endommager le revêtement métallique conducteur de nombreuses sondes KPFM ainsi que les composants électroniques AFM sensibles, donc selon les conditions environnementales (par exemple, l’humidité), envisagez des contre-mesures telles que le port de gants anti-ESD et / ou l’utilisation d’une dragonne ou d’un tapis de mise à la terre.
   2. Dans le menu Configuration de la sonde , assurez-vous que le Type de sonde utilisé est affiché. Si nécessaire, cliquez sur Sélectionner une sonde et choisissez le type de sonde approprié dans le menu déroulant, puis cliquez sur Retour et enregistrer les modifications.
   3. Dans le menu Info-bulle , mettez au point l’extrémité du porte-à-faux à l’aide des flèches haut/bas des commandes de mise au point . Ajustez la vitesse de mise au point, le zoom optique et l’éclairage vidéo selon vos besoins. Une fois que l’extrémité du porte-à-faux est nette, alignez le réticule sur l’emplacement de la pointe en cliquant sur l’image optique à l’emplacement correspondant à la position de la pointe sous le porte-à-faux en fonction du recul connu de la pointe par rapport à l’extrémité distale du porte-à-faux.
      REMARQUE: Le recul de pointe est généralement spécifié par/disponible auprès du fabricant de la sonde.
   4. À l’aide des boutons d’alignement laser sur la tête AFM, alignez le laser sur le centre de l’arrière du porte-à-faux de la sonde vers l’extrémité distale (c’est-à-dire vers la pointe / loin du substrat de la sonde) et centrez le faisceau réfléchi sur le PSD pour maximiser la tension de somme tout en minimisant les déviations verticales et horizontales .
3. Chargez l’échantillon sur le mandrin et allumez l’aspirateur à mandrin à l’aide de l’interrupteur à levier marche/arrêt . Appliquez une fine ligne de pâte d’argent conductrice (voir le tableau des matériaux) pour fournir un chemin électrique continu de l’échantillon au mandrin. Une fois que la pâte d’argent a séché, vérifiez que la surface supérieure de l’échantillon a une bonne continuité avec le mandrin / étape de l’échantillon à l’aide d’un multimètre. (Voir les POS dans les documents supplémentaires pour plus de détails.)
   REMARQUE: Si la connexion électrique entre l’échantillon et la scène/mandrin n’est pas bonne, les données de canal potentiel obtenues lors de l’imagerie KPFM seront bruyantes et/ou erronées.
4. Sélectionnez l’icône Naviguer dans le flux de travail du logiciel de contrôle AFM et déplacez la sonde sur l’échantillon à l’aide du mouvement de la scène Contrôle XY Flèches. Mettez la surface de l’échantillon au point à l’aide du bouton Tête de numérisation flèches haut/bas, puis utilisez le mouvement de la scène Contrôle XY flèches à nouveau pour localiser l’origine désignée et se déplacer vers la région d’intérêt (ROI). (Voir Graphique 8 et Graphique 9 dans l' Documents supplémentaires POS).
   1. Approchez-vous de la surface avec prudence (ajustez la vitesse de déplacement de la tête de balayage au besoin) et mettez la surface au point. Veillez à ne pas écraser la sonde sur la surface de l’échantillon, car cela pourrait endommager la sonde ou l’échantillon.
      REMARQUE: Le logiciel de contrôle AFM utilisé ici fournit deux options de mise au point: Échantillon (par défaut) et Réflexion de pointe. Le premier utilise une distance focale de 1 mm telle que le porte-à-faux AFM sera ~ 1 mm au-dessus de la surface lorsque la surface apparaît au point dans la vue optique. Ce dernier utilise une distance focale de 2 mm telle que la surface apparaîtra au point lorsque le porte-à-faux AFM est ~2 mm au-dessus de la surface, tandis que la réflexion de la pointe apparaîtra au point lorsque le porte-à-faux est ~1 mm au-dessus de la surface (en supposant une surface d’échantillon réfléchissante très polie). Ainsi, une méthode suggérée pour approcher la surface est de commencer en mode Tip Reflection et d’approcher à pleine vitesse (100%) jusqu’à ce que la surface de l’échantillon soit mise au point, puis de passer en mode Échantillon (par défaut) et d’approcher à vitesse moyenne (20%) pour passer de 2 mm à 1 mm au-dessus de la surface.
   2. Utilisez le mouvement de scène XY Control pour positionner une caractéristique facilement identifiable/distinctive directement sous la pointe de la sonde (indiquée par le réticule dans la fenêtre de visualisation optique de l’AFM et du logiciel utilisé ici). Une fois la fonction terminée, corrigez la parallaxe induite par l’optique de la caméra montée latéralement en cliquant sur Calibrer dans la barre d’outils, puis en sélectionnant Colinéarité optique et optique/SPM axe. Suivez les étapes d’étalonnage de colinéarité en cliquant sur Suivant. Alignez le réticule sur la même caractéristique distinctive dans chacune des images optiques présentées avant de cliquer sur Terminer, puis cliquez sur Naviguer dans le flux de travail du logiciel pour continuer.
   3. Localisez l’origine désignée (en fonction de la méthode de colocalisation choisie/utilisée) et alignez les axes de coordonnées X et Y (c.-à-d. orientation et rotation de l’échantillon) en conséquence, en centrant la pointe de la sonde sur l’origine. Pour permettre une navigation reproductible vers le retour sur investissement souhaité et la colocalisation avec d’autres techniques/instruments de caractérisation, notez les valeurs de position X et Y (en μm) affichées au bas de la fenêtre du logiciel. Une fois l’origine désignée dépassée, enregistrez la position XY, puis déplacez-vous vers la zone souhaitée (ROI) et enregistrez la nouvelle position XY. Calculez la différence entre ces deux emplacements pour déterminer la distance à parcourir dans les directions X et Y lors de la colocalisation de KPFM avec d’autres techniques de microscopie et de spectroscopie.
      REMARQUE: Il existe plusieurs façons de déterminer et de définir l’emplacement du retour sur investissement par rapport à l’origine, comme décrit plus en détail dans les sous-étapes ci-dessous.
      1. Cliquez sur Scène dans la barre d’outils et sélectionnez Déplacer vers. Enregistrez la position XY d’origine, puis entrez les valeurs de déplacement X et Y absolues (par défaut) ou relatives (en cochant la case Mouvement relatif ) en fonction de la distance souhaitée de l’origine pour le retour sur investissement (ou accédez au retour sur investissement à l’aide des commandes de mouvement de scène et notez la nouvelle position XY).
      2. Alternativement, la méthode la plus intuitive et, par conséquent, préférée consiste à cliquer sur Scène dans la barre d’outils et à sélectionner Définir les références. Lorsque vous êtes au-dessus de l’origine désignée, cliquez sur Marquer le point comme origine sous Définir l’origine pour mettre à zéro les valeurs d’emplacement X et Y. Ensuite, déplacez la sonde vers le retour sur investissement souhaité et notez la distance entre l’origine et le retour sur investissement affiché sous forme de valeurs X et Y en bas de l’écran.
5. Fermez et verrouillez le capot acoustique entourant l’AFM.
   REMARQUE: La méthode ci-dessus suppose un système AFM d’environnement ambiant standard, mais KPFM peut également être effectué dans une boîte à gants à atmosphère inerte. Bien que plus difficile, l’utilisation d’un AFM logé dans une boîte à gants peut être très bénéfique en raison de la réduction des quantités d’eau de surface, car elle permet des hauteurs de levage plus faibles (et donc une résolution spatiale plus élevée) et des mesures VPD plus reproductibles par rapport à l’humidité variable subie dans les conditions ambiantes, ainsi que la prévention de la formation de couches d’oxyde passives ou de la corrosion sur l’échantillon après le polissage (Figure 3 ). Si vous menez des expériences KPFM dans des conditions ambiantes, il est conseillé de contrôler soigneusement (si possible) et de surveiller la température et l’humidité relative. Voir la discussion pour plus de détails.
6. Sélectionnez la fenêtre de workflow Vérifier les paramètres et assurez-vous que les paramètres de création d’image initiaux par défaut sont acceptables. Accédez aux paramètres Microscope dans la barre d’outils, sélectionnez Paramètres d’engagement et assurez-vous que les paramètres d’engagement par défaut sont acceptables, en les modifiant si vous le souhaitez. (Voir les POS dans les documents supplémentaires pour plus de détails). Cliquez sur le bouton Engager dans le flux de travail pour vous engager sur la surface. Surveillez le processus d’engagement pour vous assurer que le conseil s’engage correctement.
   REMARQUE: Lorsque vous cliquez sur Engager, la notification Tip Secured en bas de l’écran du logiciel devient Motor: ZZ. Z μm où ZZ. Z est la distance parcourue par le moteur pas à pas vers la surface de l’échantillon. La sonde doit engager la surface à peu près au réglage de sécurité SPM choisi dans les paramètres d’engagement (la valeur par défaut est 100 μm). Si vous utilisez une sonde avec une pointe particulièrement longue (c.-à-d. une grande hauteur de pointe), il peut être nécessaire d’augmenter la sécurité du SPM pour éviter de casser la sonde pendant la partie initiale de descente rapide du processus d’engagement (c.-à-d. que la sécurité SPM doit être supérieure à la hauteur de la pointe de la sonde, définie comme la distance entre le porte-à-faux et l’extrémité de la pointe, plus l’incertitude de la distance de mise au point de surface).
7. Une fois activé, basculez le type d’affichage de la courbe de force de Force vs Temps à Force vs Z en cliquant avec le bouton droit de la souris sur la courbe et en sélectionnant Changer de type d’affichage. Optimisez la topographie AFM et les paramètres KPFM dans la fenêtre Paramètres de l’interface de numérisation (voir la discussion et les SOP KPFM dans les documents supplémentaires). Après avoir défini un chemin d’accès au répertoire et un nom de fichier appropriés sous Capture > Capture Filename, cliquez sur l’icône Capture pour configurer la capture de la prochaine image complète souhaitée, puis cliquez sur Retirer dans le workflow une fois l’image capturée (ou cliquez sur Capturer > Capture Retirer pour automatiser le processus).

Figure 3 : Effet de l’atmosphère inerte par rapport à l’atmosphère ambiante sur les mesures du potentiel KPFM Volta. Images KPFM de la même zone d’un alliage binaire MgLa obtenues dans (A) l’air ambiant sec_N2 et (B) sur la même marque et le même modèle d’AFM avec le même type de sonde et la même modalité d’imagerie. Dans les deux cas, l’échantillon a été imagé deux fois avec une incubation d’une nuit entre les images. Les images dans l’air ont été obtenues 1 jour après les images en_N2. Les résultats démontrent que le contraste KPFM se dégrade avec le temps lors de l’exposition à l’air ambiant sous la forme d’une fine couche d’oxyde passivante formée sur la surface de l’alliage. L’utilisation du système AFM de boîte à gants sous atmosphère inerte (N₂ sec) a également permis d’utiliser des hauteurs de levage plus basses, ce qui peut donner une résolution spatiale latérale plus élevée. Barres d’échelle = 10 μm. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; AFM = microscopie à force atomique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Imagerie MEB, SED et EBSD

REMARQUE : Il est préférable d’effectuer une caractérisation en microscopie électronique ou spectroscopie après KPFM, car le faisceau d’électrons peut déposer un revêtement de carbone indésirable sur l’échantillon (c.-à-d. dépôt par faisceau d’électrons); cette couche de contamination aura une incidence sur le MEV mesuré par KPFM (p. ex., voir la figure 2 dans Hurley et al. ¹⁸ ou figure 1 dans Mallinson et Watts²⁸). De fines couches de contamination par le carbone peuvent se déposer même dans des conditions de vide très poussé et auront un impact sur les mesures de potentiel de surface.

1. Assurez-vous que l’échantillon inhibe la charge. Si l’échantillon n’est pas suffisamment conducteur (ce qui n’est généralement pas le cas pour les alliages métalliques), envisagez un revêtement au carbone avant l’imagerie. Chargez l’échantillon dans la chambre SEM. Fermer et pomper (évacuer) la chambre; allumez le faisceau d’électrons à l’aide du bouton Beam On . Effectuez un zoom arrière optique à l’aide du bouton d’agrandissement pour obtenir le champ de vision maximal (FOV) de la surface de l’échantillon.
2. Localisez l’origine désignée (p. ex., nanoindentation, rayure, point d’encre indélébile, fonction optique), puis effectuez un zoom avant à l’aide du bouton d’agrandissement . Orientez les axes X et Y en fonction des marqueurs fiduciaires (c.-à-d. ajustez l’orientation/rotation de l’échantillon) en entrant des valeurs dans les options de rotation et d’inclinaison de la scène. Effectuez un zoom avant au besoin et capturez les images souhaitées (p. ex., les cartes d’électrons secondaires [SE], d’ESB et d’EDS) du retour sur investissement désigné et enregistrez les fichiers.
   REMARQUE: Comme le SEM offre un champ de vision plus large que l’AFM, il est souvent avantageux d’obtenir une image SEM de grande surface pour garantir la capture de toute la zone à co-localiser avec KPFM (voir la discussion).

4. Superposition et analyse d’images KPFM, SEM, EDS et EBSD

1. Utiliser un logiciel approprié pour chaque outil de caractérisation (voir le tableau des matières) pour traiter les données brutes au besoin. Enregistrez et exportez les images KPFM et SEM acquises dans le(s) format(s) de fichier souhaité(s) (par exemple, *.spm, *.txt, *.jpg, *.tif, etc.) pour le logiciel de superposition d’images à utiliser.
   1. Traiter les données KPFM de manière appropriée pour assurer des images de haute qualité (voir le tableau des matériaux).
      REMARQUE : Selon la configuration matérielle et logicielle AFM utilisée, il est possible que le sens (c.-à-d. le signe et l’ordre relatif) des MEV mesurés soit inversé et doive être inversé. Il est habituel de rapporter le VPD comme le potentiel Volta de l’échantillon moins celui de la pointe de la sonde, avec des surfaces plus nobles / moins facilement oxydées indiquées par un potentiel Volta plus grand et plus positif, tout comme leur fonction de travail serait généralement rapportée comme une grande valeur positive, indiquant la difficulté relative de retirer un électron de la surface.
      1. Après avoir ouvert le fichier de données KPFM, appliquez un Plane Fit de premier ordre au canal de topographie AFM (capteur de hauteur) des images KPFM pour supprimer la pointe et l’inclinaison de l’échantillon, ainsi qu’un aplatissement de premier ordre si nécessaire pour compenser les décalages ligne à ligne dus à l’usure de la sonde ou à la collecte de débris sur la pointe de la sonde.
         REMARQUE : Si des mesures de potentiel Volta absolu sont souhaitées (voir la discussion) ou si plusieurs images contenant des VPD KPFM mesurées avec la même sonde doivent être comparées, ne traitez pas le canal de potentiel KPFM Volta (c.-à-d. utilisez les données brutes comme données acquises). Si, au contraire, les utilisateurs s’intéressent simplement aux VPD relatifs des microstructures internes (c’est-à-dire contenues entièrement dans) la région d’échantillon imagée, il est permis de Plane Fit et Aplatiner le canal KPFM Potential ainsi que d’améliorer la qualité de l’image.
      2. Sélectionnez le jeu de couleurs/dégradé souhaité pour les images KPFM en sélectionnant d’abord la vignette Couche potentielle à gauche de l’image de topographie AFM, puis double-cliquez sur la barre d’échelle de couleurs à droite de la carte VPD KPFM pour ouvrir la fenêtre Ajustement de l’échelle de couleurs de l’image dans l’onglet Choisir la table de couleurs.
      3. Entrez une plage de barres d’échelle appropriée (c.-à-d. Valeur minimale et Valeur maximale) pour l’image VPD KPFM dans l’onglet Modifier l’échelle des données de la fenêtre Ajuster l’échelle des couleurs de l’image, puis cliquez sur (c.-à-d. Valeur minimale et maximale). Répétez ce processus pour l’image topographique AFM après avoir (re)sélectionné pour la première fois l’image miniature du canal du capteur de hauteur. Enregistrer les exportations de qualité journal de l’image topographique AFM traitée et de la carte VPD KPFM sous forme de fichiers image (par exemple, *.jpg, *.tif, etc.).
2. Ouvrez l’image topographique AFM traitée et la carte VPD KPFM, ainsi que l’image MEB brute, dans le logiciel de manipulation d’image de votre choix (voir Tableau des matériaux). Indiquez l’origine spécifiée dans les données AFM/KPFM et dans les images SEM (p. ex., SE, BSE, EDS, EBSD, etc.). Superposez les origines dans les deux images, puis alignez les images en rotation à l’aide des axes de coordonnées X et Y désignés par les repères ou caractéristiques choisis. Redimensionnez les images selon vos besoins.
   REMARQUE : Les caractéristiques topographiques des images AFM et MEB doivent s’harmoniser les unes avec les autres et peuvent correspondre à l’information KPFM et à l’information sur la composition (p. ex., image de l’ESB ou cartes EDS) en raison des taux de polissage différentiels et des MEV pour différentes compositions. Lors de la superposition et de l’alignement d’images, il est souvent utile d’augmenter la transparence de l’image supérieure (superposée).

Résultats

Alliage Mg binaire: KPFM et SEM
En raison de leurs rapports résistance/poids supérieurs, les alliages de magnésium (Mg) sont intéressants pour une utilisation dans l’électronique portable et comme composants structurels dans les applications de transport telles que les vélos, les voitures et les avions. De plus, les alliages Mg sont utilisés pour la protection cathodique et comme anodes dans les systèmes de batteries^33,34,35. Le Mg pur n’est pas capable de former un film d’oxyde passif et protecteur en raison de sa trop minceur (le rapport Pilling-Bedworth de MgO est de 0,81), ce qui en fait un métal très actif lorsqu’il est allié à la plupart des autres matériaux conducteurs (potentiel de réduction de -2,372 V par rapport à l’électrode d’hydrogène standard) ⁹. L’une des principales forces motrices de la corrosion des alliages de magnésium est l’activation cathodique, où la réaction cathodique est renforcée par dissolution anodique²⁹. Une façon d’entraver ce processus est par microalliage avec des ajouts de métaux qui ralentissent la réaction cathodique d’évolution de l’hydrogène. Une étude de 2016 a examiné l’incorporation de germanium (Ge) en tant qu’élément de microalliage pour produire un alliage binaire^{Mg 29}. KPFM a indiqué la présence de régions de différents potentiels Volta et quantifié les MEV correspondants; Cependant, ce résultat seul n’a pas permis de distinguer la composition élémentaire de ces régions. En colocalisant KPFM avec le MEB (qui fournit un contraste élémentaire basé sur le numéro atomique), comme le montrent les images superposées à la figure 4, les noblesses relatives (c.-à-d. les sites de comportement anodique / cathodique probable) de la matrice et de la phase secondaire Mg₂Ge ont été identifiées avec précision. Au cours de la corrosion active, la phase secondaire Mg₂Ge a été observée comme un site préférentiel pour la réduction, ce qui, à son tour, a déplacé le mécanisme de corrosion de type filiforme généralisée sur Mg à une attaque réduite à des sites minimaux lorsque Ge a été inclus, améliorant ainsi la performance de corrosion du matériau.

Alliage de brasage ternaire Cu-Ag-Ti: KPFM et SEM/EDS
Le brasage est une alternative à basse température à d’autres techniques courantes d’assemblage de métaux telles que le soudage³⁶. Cependant, la performance et la durée de vie des joints peuvent souffrir de la séparation des phases et de la corrosion galvanique résultante dans le brasage³⁷, comme le montre une étude comparative sur l’utilisation des brasages Cu-Ag-Ti (CuSil) et Cu-Ag-In-Ti (InCuSil) pour joindre les coupons en acier inoxydable^{316L 30}. La figure 5 montre une région représentative d’un joint de brasage Cu-Ag-Ti, où la bactérie BSE SEM, EDS et KPFM co-localisées ont confirmé que la phase riche en argent était cathodique (c.-à-d. plus noble que) la phase riche en cuivre de ~60 mV, cette séparation de phase et ce VPD conduisant finalement à l’initiation de la corrosion microgalvanique dans les régions riches en cuivre de la brasage. Cependant, les coupons en acier inoxydable 316L environnants et la couche de mouillage interfaciale en titane (Ti)³⁸ ont été observés comme étant anodiques en Volta potentiels pour les deux phases voisines de l’alliage de brasage. Ainsi, la matrice en acier inoxydable serait, en théorie, plus réactive (c’est-à-dire plus facilement oxydée) que la brasée. Cependant, dans un scénario de corrosion galvanique, le pire des cas est d’avoir une petite anode en contact avec une grande cathode, car la plus grande surface cathodique entraînera une dissolution anodique rapide. Inversement, dans ce scénario impliquant des coupons anodiques en acier inoxydable 316L joints par un alliage de brasage cathodique, la combinaison d’une anode plus grande et d’une cathode plus petite devrait servir à ralentir le taux de corrosion galvanique.

Alliage Ti ternaire biphasé + bore : KPFM et SEM/EDS
Alliage de titane corroyé avec 6 at. % d’aluminium et 4 at. % de vanadium (Ti-6Al-4V, ou Ti64) est un alliage structurel attrayant en raison de son rapport résistance/poids élevé et de son excellente résistance à la corrosion 39,40,41. En particulier, Ti64 trouve une utilisation dans les implants et dispositifs biomédicaux en raison de sa biocompatibilité^42,43,44. Cependant, comme le Ti64 est plus rigide que l’os, il peut entraîner une détérioration osseuse et une mauvaise adhérence de l’implant lorsqu’il est utilisé pour des remplacements articulaires. Additions de bore (B), qui a une limite de solubilité de ~0,02 à. % dans Ti64, ont été étudiés pour ajuster les propriétés mécaniques du Ti64 afin d’imiter plus étroitement celles de l’os³¹. Cependant, de tels ajouts de bore pourraient entraîner une sensibilité accrue de l’alliage à la corrosion, en particulier lorsqu’il est soumis à un contact prolongé avec du plasma sanguin, comme dans le cas des implants biomédicaux tels que les remplacements articulaires. La figure 6 montre les cartes KPFM, BSE SEM et EDS co-localisées d’un échantillon Ti64 + 0,43% B. Les aiguilles TiB riches en bore résultantes (Figure 6A et Figure 6D) qui apparaissent au-dessus du point de saturation pour le bore ont pu être distinguées de la matrice Ti64 alpha (α) riche en Al (Figure 6C) et de la phase Ti64 bêta (β) filamenteuse riche en V interconnectée, les aiguilles TiB apparaissant à un potentiel Volta légèrement plus élevé (c’est-à-dire plus noble) (plus brillant sur la figure 6B) que la phase^{31 β}. La figure 7 illustre le fait que KPFM est significativement plus sensible à la surface que le MEB en raison des différences dans la profondeur de pénétration et le volume d’échantillonnage des deux techniques. Plus précisément, la formation d’oxyde passivant de quelques nanomètres d’épaisseur sur la surface de l’alliage lors de l’exposition à une solution imitant le plasma humain et le cycle potentiodynamique subséquent (protocole d’essai standard ASTM F2129-15 pour déterminer la sensibilité à la corrosion des dispositifs implantaires) a permis de mesurer un potentiel de surface relativement uniforme (figure 7B) malgré le fait que la microstructure souterraine reste visible sur l’image SEM de l’ESB (figure 7A) et les cartes EDS (figure 7C ). En revanche, après avoir soumis des échantillons de Ti64 à des conditions de corrosion forcée (c.-à-d. concentration élevée de sel et potentiel anodique extrême), il a été possible d’utiliser des échantillons de concentration de kpfm, de MEB et d’EDS colocalisés pour observer des différences de comportement à la corrosion pour des échantillons de bore ajoutés à une concentration faible (0,04 % B) et élevée (1,09 % B) (figure 8).

Alliage Ti ternaire imprimé en 3D : KPFM et SEM/EBSD
La fabrication additive (FA) de métaux et d’alliages métalliques a le potentiel de produire des pièces moins chères et plus rapides, avec des formes plus complexes et un contrôle de la microstructure et des propriétés⁴⁵. L’un des principaux matériaux utilisés dans la FA est le Ti64, comme décrit ci-dessus. Semblable au Ti64 forgé, AM Ti64 contient deux phases, la phase α riche en Al thermodynamiquement stable et la phase β métastable riche en V, chaque phase présentant une gamme d’orientations cristallographiques. Selon la phase et les orientations cristallographiques présentes à la surface, les propriétés de corrosion de la pièce imprimée seront affectées. La figure 2 présente des images colocalisées AFM/KPFM, SEM (SE et ESB) et EBSD (phases α et β) de l’AM Ti64 produites par fusion par faisceau d’électrons sur lit de poudre de fusion suivie d’un pressage isostatique à chaud (HIP)³². L’orientation cristallographique de différents grains révélée par EBSD a été colocalisée avec les VPD KPFM afin de déterminer quelle(s) orientation(s) est (sont) susceptible d’affecter les propriétés de corrosion de l’AM Ti64 afin que les paramètres du processus de construction puissent être ajustés pour réduire les orientations ou les phases non idéales. La topographie (figure 2E) et le dispositif VPD (figure 2F) acquis par KPFM recouvrent la grande zone carrée légèrement tournée délimitée par les lignes blanches pointillées des cartes SEM (figure 2A, B) et EBSD (figure 2C, D). La figure 9 effectue un zoom avant sur la zone délimitée par les rectangles blancs solides de la figure 2A-D, montrant que le DPV mesuré en traversant une limite de grains α-α dépend des orientations cristallographiques relatives des deux grains. De plus, les limites de phase α-β présentaient un VPD relatif égal ou supérieur aux limites α α d’orientation de grain différente. Ceci est important, car un gradient de potentiel Volta plus élevé entraînera théoriquement des taux de corrosion intergranulaire plus élevés en raison de l’augmentation de la force motrice microgalvanique, ce qui suggère la nécessité de minimiser le nombre de grains β et leurs points de contact avec α lattes.

Analyse transversale des alliages Zr pour le revêtement nucléaire : KPFM, MEB et Raman
Le zirconium (Zr) et ses alliages sont couramment utilisés comme revêtement dans les applications nucléaires en raison de leur faible section efficace d’absorption des neutrons et de leur résistance à la corrosion à haute température. Cependant, en raison d’une variété de mécanismes de dégradation potentiels, y compris le « phénomène de rupture », la fragilisation induite par l’hydrure et diverses interactions granulés-gaine, la durée de vie du zirconium peut être considérablement raccourcie, ce qui entraîne un risque de défaillance du réacteur nucléaire⁴⁶. Ainsi, les mécanismes de dégradation des alliages de zirconium ont été étudiés par co-localisation de KPFM, de MEB et de microscopie Raman à balayage confocale (qui peut révéler des différences dans la structure cristalline en fonction du spectre Raman) ⁴⁷. Ici, une corrélation entre la structure cristalline de l’oxyde de zirconium (monoclinique versus tétragonale) et le potentiel relatif de Volta a été observée. Plus précisément, l’oxyde de zirconium riche en tétragonales (t-ZrO 2) préférentiellement situé près de l’interface métal-oxyde (indiqué par la ligne pointillée verticale dans les panneaux de droite de la figure 10A-C et de la figure 10E-G) s’est avéré significativement plus actif (c.-à-d. plus susceptible de s’oxyder/corroder) que l’oxyde de zirconium monoclinique en vrac plus noble de ~600 mV (m-ZrO ₂ ). C’est ce que montrent les coupes efficaces de la droite VPD et de la ligne de tétragonalité en pourcentage à travers l’interface ZrO₂/Zr de la figure 10A-C. De plus, on a découvert que la région t-ZrO₂ était également légèrement active par rapport au substrat métallique (figure 10A), ce qui a entraîné une région de jonction p-n comme une autre étape de l’oxydation du zirconium autrement limitée par diffusion.

D’autres preuves de l’utilité de KPFM et de la co-localisation avec des techniques de caractérisation complémentaires sont également vues dans ce travail. Même dans le métal Zr nominalement « pur », certaines impuretés de fer à l’état de traces restent présentes après le traitement, ce qui donne des particules de phase secondaire riches en fer (SPP riches en Fe). Cela a été observé via KPFM et la cartographie spectrale confocale Raman à balayage, où la forte augmentation du potentiel relatif de Volta correspondant à la particule cathodique brillante visible sur la figure 10E était corrélée à un changement significatif du spectre Raman (Figure 10F,G). Cette particule cathodique a d’abord été présumée être un SPP riche en Fe, mais EDS n’a pas été en mesure de confirmer la présence de fer dans ce cas (Figure 10H). Cependant, pour les données présentées à la figure 10, KPFM a été effectué en premier, suivi de la cartographie Raman, puis enfin du SEM/EDS. Malheureusement, les dommages causés par le faisceau laser (y compris l’ablation / retrait des SPP) sont possibles pendant la cartographie Raman en fonction de la puissance laser incidente, ce qui rend potentiellement impossible l’identification des SPP via EDS ultérieur. L’effet délétère du laser d’excitation Raman incident a été confirmé ici en supprimant la cartographie Raman du processus de caractérisation séquentielle, ce qui a conduit à l’identification réussie des SPP riches en Fe et de leur VPD accru correspondant par rapport à la matrice Zr environnante par KPFM co-localisé et SEM/EDS (cercles rouges sur la figure 11A,B ). Cela souligne l’importance de l’ordre dans lequel un utilisateur utilise des techniques de caractérisation co-localisées, car certains outils sont plus susceptibles d’être destructeurs ou d’affecter la surface. Plus précisément, bien que KPFM soit non destructif, la réalisation d’une analyse Raman ou SEM/EDS avant KPFM peut avoir un impact sur les mesures potentielles Volta résultantes^18,28. Il est donc fortement recommandé d’effectuer d’abord KPFM lors de la colocalisation avec des techniques sensibles à la surface potentiellement dommageables.

Figure 4 : Colocalisation de KPFM et de BSE SEM. (A) images superposées de MEB et KPFM d’un alliage binaire Mg-0.3Ge, (B) zoom de la carte de potentiel KPFM Volta superposée dans A montrant les potentiels relatifs de la phase secondaire Mg₂Ge (plus brillante, plus noble) et matrice (plus sombre), et (C) données de balayage linéaire pour le potentiel Volta correspondant à la région de la ligne pointillée dans B montrant la différence de potentiel de ~400 mV entre la matrice et la phase secondaire Mg₂Ge. Cette figure est tirée de Liu et ^al.29. Barres d’échelle = (A) 10 μm, (B) 5 μm. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Colocalisation du KPFM, BSE SEM et EDS. (A) Image MEB ESB d’un échantillon de brasage Cu-Ag-Ti (CuSil) et (B) image potentielle de surface KPFM colocalisée correspondante. Des cartes élémentaires EDS de la région identique de l’alliage ternaire pour (C) l’additif mouillant titane (Ti), (D) le cuivre (Cu) et (E) l’argent (Ag) sont également montrées. Barres d’échelle = 10 μm. Cette figure est tirée de Kvryan et ^coll.30. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; EDS = spectroscopie dispersive d’énergie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Colocalisation du KPFM, BSE SEM et EDS dans un alliage modifié. Images colocalisées (A) du MEB et (B) KPFM du Ti-6Al-4V allié à 0,43 % B montrant la formation d’aiguilles riches en bore, avec les cartes EDS correspondantes de (C) aluminium (Al) et (D) bore (B). La case rouge dans l’image SEM indique l’emplacement de l’analyse KPFM. Barres d’échelle = (A,C,D) 40 μm, (B) 20 μm. Cette figure est adaptée de Davis et ^coll.31. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; EDS = spectroscopie dispersive d’énergie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Passivation de surface et profondeur d’imagerie différentielle de KPFM par rapport à l’ESB SEM et EDS. Images colocalisées (A) SEM ESB et (B) KPFM d’un échantillon Ti-6Al-4V + 1,09 % B soumis au protocole d’essai ASTM F2129-15. La formation d’une fine couche passivante a donné lieu à un potentiel de surface plus uniforme mesuré par KPFM par rapport aux échantillons non soumis au protocole d’essai ASTM F2129-15 (voir la figure 6). Les cartes (A) SEM ESB et (C) EDS (aluminium, Al; vanadium, V; bore, B) ont confirmé la composition de phase de la microstructure sous le film passif et l’absence d’attaque de corrosion évidente. La case rouge dans l’image SEM indique l’emplacement approximatif de l’analyse KPFM correspondante. Barres d’échelle = (A) 40 μm, (C–E) 25 mm, (B) 20 μm. Cette figure est tirée de Davis et ^coll.31. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; EDS = spectroscopie dispersive d’énergie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8 : Signes de corrosion préférentielle. Topographie AFM (A,B) et (C,D) ESB SEM d’échantillons (A,C,E) 0,04% B et (B,D,F) 1,09% B Ti-6Al-4V avec les cartes EDS correspondantes (E) aluminium (Al) et oxygène (O) et (F) bore (B) et oxygène (O). Les cases rouges sur les images SEM (C,D) indiquent l’emplacement approximatif de (A,B) les images AFM correspondantes. (A,B) Les piqûres visibles sur les images topographiques AFM montrent que la corrosion s’est produite préférentiellement dans la phase β métastable riche en vanadium malgré son potentiel Volta plus élevé. (B, D, F) Il convient également de noter que l’échantillon à teneur élevée en bore présentait beaucoup moins de piqûres (et moins profondes). Barres d’échelle = (A,B) 20 μm, (E–H) 25 mm, (C,D) 40 μm. Cette figure est tirée de Davis et ^coll.31. Abréviations : AFM = microscopie à force atomique; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; EDS = spectroscopie dispersive d’énergie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 9 : Colocalisation du KPFM, BSE SEM et EBSD. Analyse SEM et KPFM détaillée de la zone désignée par le rectangle plein à la figure 2. Technique de caractérisation des lattes α par colocalisation : (A) imagerie de l’ESB, (B) capteur de hauteur AFM (topographie), (C) EBSD (les lignes blanches indiquent les limites de phase α-β, les lignes noires désignent les limites de grains définies) et (D) potentiel KPFM Volta. Les résultats des balayages linéaires à travers les hypercartes indiqués par les flèches blanches de A à D sont affichés pour (E) EBSD et (F) KPFM Volta potentiel. (G) Des résumés des différences relatives de potentiel Volta sont présentés pour trois types de mesures: i) à l’intérieur d’un même α lath, ii) à travers des limites α-α d’orientation de grain similaire et iii) à travers des limites α-α d’orientation différente des grains. (H) Plages de potentiel Volta pour différentes orientations de β antérieur (un écart type illustré). Barres d’échelle = (A–D) 5 μm. Cette figure est reproduite à partir de Benzing et ^coll.32. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; AFM = microscopie à force atomique; EBSD = diffraction rétrodiffusée d’électrons. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 10 : Colocalisation de KPFM, microscopie Raman, ESB SEM et EDS. Co-localisation de KPFM, microscopie Raman et MEB / EDS pour l’alliage Zr-2.65Nb oxydé et en coupe transversale (A-D) et (E-H) Zr pur. De haut en bas : (A,E) cartes de potentiel KPFM Volta (à gauche) avec les balayages de ligne VPD représentatifs correspondants (à droite), (B,F) pourcentage de tétragonalité et (C,G) cartes monocliniques de position de crête ZrO2 (indicatives de la contrainte de compression) déterminées par cartographie Raman avec les balayages de lignes représentatifs correspondants, et (D,H) images SEM avec les cartes EDS correspondantes et les balayages de lignes représentatifs. Dans tous les cas, les emplacements des balayages linéaires sont indiqués par des flèches blanches dans les images d’échantillon correspondantes. Barres d’échelle = (A) 10 μm, (D) 50 μm, (E) 6 μm, (H) 20 μm. Cette figure est adaptée d’Efaw et ^al.47. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; EDS = spectroscopie dispersive d’énergie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 11 : Colocalisation de la KPFM, BSE SEM et EDS sans microscopie Raman. Colocalisation des cartes de hauteur KPFM (en haut) et de potentiel Volta (en bas) avec (B) SEM (en haut) et analyse élémentaire EDS (en bas) sur un échantillon en coupe transversale de Zr pur oxydé (pré-échappée). La zone où KPFM a été effectué est indiquée par le rectangle orange en pointillés dans l’image SEM en haut à droite, tandis que les cercles rouges dans les cartes de potentiel KPFM Volta et EDS Fe indiquent la corrélation entre les régions VPD élevées et les particules riches en Fe. Barres d’échelle = (A) 8 μm, (B) 25 μm. Cette figure est tirée d’Efaw et ^al.47. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; MEB = microscopie électronique à balayage; ESB = électron rétrodiffusé; EDS = spectroscopie dispersive d’énergie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Matériel supplémentaire : Procédure opérationnelle normalisée pour la microscopie à force de sonde Kelvin. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Comme KPFM mesure la topographie de surface et les VPD avec une résolution à l’échelle nanométrique, la préparation des échantillons est cruciale pour obtenir des images KPFM de haute qualité. Les étapes de polissage finement graduées décrites dans la section protocole constituent un point de départ optimal pour obtenir une finition de surface finale de haute qualité pour les alliages métalliques. De plus, l’examen de la surface après chaque étape de polissage avec un microscope optique peut confirmer l’amélioration de la qualité de surface (par exemple, réduction du nombre, de la taille et de la profondeur des rayures visibles), tandis que la finition avec un polisseur vibratoire offrira la meilleure qualité de surface finale. Enfin, il faut tenir compte de la compatibilité des solvants avec l’échantillon et l’agent de montage lors du choix des composés de polissage et des méthodes de nettoyage. En plus d’une préparation minutieuse de l’échantillon, la colocalisation de différentes techniques de caractérisation nécessite l’utilisation d’une référence commune (c.-à-d. marque fiduciaire) pour indiquer l’emplacement d’origine et les directions des axes de coordonnées XY (c.-à-d. orientation/rotation de l’échantillon) ^6,7,32. Il existe une variété de méthodes possibles pour y parvenir. La méthode la plus simple consiste à identifier des caractéristiques distinctes et préexistantes sur la surface qui peuvent être vues à l’œil nu ou à l’aide d’un microscope optique. Pour que cette méthode fonctionne, la caractéristique doit avoir un point d’origine bien défini et facilement identifiable (par exemple, un coin ou une saillie) et présenter une orientation claire. L’échantillon de brasage CuSil décrit ici a démontré des caractéristiques à l’échelle du micron répondant à ces exigences, ce qui rend la colocalisation simple (Figure 1 et Figure 5) ³⁰. En outre, les couleurs visibles distinctives des deux régions séparées par phases ont donné un aperçu de leur composition (c.-à-d. riche en cuivre ou en argent). La méthode la meilleure et la plus reproductible pour créer des marques fiduciaires est peut-être la nanoindentation, bien que cela nécessite l’accès à un nanoindenteur autonome ou à un système de nanoindentation intégré à l’AFM. Les nanoindents peuvent être disposés de différentes manières, mais la plus évidente est d’utiliser un retrait comme origine et deux retraits supplémentaires alignés le long d’axes orthogonaux pour indiquer les directions X et Y à partir de l’origine, comme le montre l’exemple AM Ti64 (Figure 2) ³². Enfin, les marques fiduciaires peuvent également être établies en grattant ou en marquant la surface (par exemple, avec un scribe en diamant, une lame de rasoir ou une pointe de sonde micromanipulateur; ou une encre indélébile ou un marqueur permanent). Les fiduciaires scratch peuvent être bénéfiques lorsque des caractéristiques de surface distinctes et / ou un nanopénétrateur ne sont pas disponibles; Cependant, ces méthodes peuvent causer des problèmes, en particulier lors de l’examen des propriétés de corrosion (par exemple, une égratignure peut endommager la surface, la rendant sensible à la corrosion). Si vous utilisez un scratch fiducial, il faut placer le scratch un peu plus loin de la surface examinée pour s’assurer que le scratch n’affecte pas les résultats expérimentaux. De même, la contamination par l’encre peut avoir un impact sur les performances de corrosion et, par conséquent, ces méthodes sont mieux utilisées lors de l’étude des propriétés des matériaux autres que la corrosion.

Comme la quantification du VPD dans KPFM dépend de l’application à la fois d’un biais AC et d’un potentiel de nulling DC, le trajet de la surface de l’échantillon au mandrin AFM doit être électriquement continu. Ainsi, si l’échantillon est isolé électriquement du mandrin (par exemple, il a un revêtement d’oxyde arrière, est déposé sur un substrat non conducteur ou est recouvert d’époxy), une connexion devra être effectuée. Une solution consiste à utiliser de la pâte d’argent (voir le tableau des matériaux) pour tracer une ligne de la surface supérieure de l’échantillon jusqu’au mandrin, en veillant à ce que la ligne ne se casse pas et soit complètement sèche avant l’imagerie. Le ruban de cuivre ou le ruban de carbone conducteur peut également être utilisé pour créer une connexion électrique similaire. Quelle que soit la méthode utilisée pour établir le raccordement électrique, la continuité de l’échantillon de mandrin doit être vérifiée à l’aide d’un multimètre avant l’imagerie KPFM.

L’oxydation ou la contamination d’une surface métallique entraîne des changements drastiques dans les MEV mesurés. Minimiser la quantité d’oxygène avec laquelle l’échantillon entre en contact peut ralentir la passivation ou la dégradation de la surface. Une façon de prévenir l’oxydation est de placer l’AFM dans une boîte à gants à atmosphère inerte. En remplaçant l’environnement ambiant riche en oxygène par un gaz inerte tel que l’argon ou l’azote, la surface de l’échantillon peut être maintenue dans un état relativement vierge pendant une période prolongée (Figure 3). Un avantage supplémentaire de l’utilisation d’une boîte à gants est l’élimination des eaux de surface, qui peuvent introduire des contaminants dissous, accélérer la corrosion ou la passivation et dégrader la résolution en raison de la nécessité d’augmenter les hauteurs de levage (voir ci-dessous). De plus, il a été démontré que le VPD mesuré est sensible à l’humidité relative^15,23, et il est donc important de surveiller (et idéalement de rapporter) l’humidité relative si les expériences KPFM sont effectuées dans des conditions ambiantes.

Selon l’AFM utilisé (voir le tableau des matériaux) et le mode de mise en œuvre KPFM utilisé, les paramètres d’imagerie disponibles et la nomenclature varieront. Cependant, certaines lignes directrices générales peuvent être formulées. KPFM combine la topographie AFM avec les mesures VPD. Ainsi, une bonne image topographique est une première étape essentielle, avec un point de consigne choisi pour minimiser la force de l’échantillon de pointe (et donc le potentiel d’usure de la pointe et d’endommagement de l’échantillon) tout en maintenant un suivi haute fidélité de la topographie (en optimisant l’interaction des gains et du point de consigne). En d’autres termes, quel que soit le mode d’imagerie topographique, l’utilisateur doit déterminer un équilibre entre une interaction suffisante avec la surface sans endommager l’échantillon ou la sonde (en particulier si elle est revêtue de métal). De plus, si l’échantillon est sale ou n’est pas bien poli, la pointe de la sonde peut entrer en contact avec des débris, ce qui entraîne une pointe cassée ou des artefacts de pointe. Il est également impératif d’éviter les artefacts topographiques dans le canal de potentiel KPFM Volta, ce qui est plus facile à réaliser dans un mode KPFM à double passage tel que celui décrit ici. L’imagerie KPFM optimale nécessite un équilibre entre les hauteurs de levage inférieures et supérieures, car la résolution latérale de KPFM diminue avec l’augmentation de la hauteur de portance, mais les forces de van der Waals à courte portée (qui sont responsables des interactions pointe-échantillon qui sous-tendent les mesures topographiques AFM) peuvent produire des instabilités qui affectent la mesure de l’interaction électrostatique à plus longue portée à des hauteurs de levage inférieures. Travailler dans une boîte à gants sous atmosphère inerte comme décrit ci-dessus peut être bénéfique à cet égard, car l’élimination de la couche d’eau de surface supprime sa contribution à l’interaction pointe-échantillon pour une meilleure rétroaction, permettant ainsi des hauteurs de levage KPFM plus basses et une résolution spatiale améliorée, avec l’avantage supplémentaire de MEV plus reproductibles en raison d’une humidité constante (essentiellement nulle) et d’un criblage de charge réduit. De même, une rugosité de surface réduite (c’est-à-dire un meilleur polissage) peut permettre des hauteurs de levage plus basses et améliorer la résolution KPFM, car une bonne règle de base pour éviter les artefacts topographiques est de définir la hauteur de levage approximativement égale à la hauteur de la ou des caractéristiques de surface les plus hautes à rapport d’aspect élevé présentes dans la région de numérisation. Un autre facteur qui entre en jeu dans la détermination de la hauteur de levage optimale est l’amplitude d’oscillation de la sonde pendant le passage en mode de levage - une amplitude plus grande confère une plus grande sensibilité aux petits VPD, mais au prix de la nécessité de plus grandes hauteurs de levage pour éviter les artefacts topographiques ou de frapper la surface (souvent visibles sous forme de pointes abruptes dans la phase de balayage de la soulèvement). Encore une fois, plus la surface est lisse, plus la hauteur de levage qui peut être atteinte pour une amplitude d’oscillation donnée est basse, améliorant ainsi à la fois la résolution spatiale et la sensibilité potentielle Volta - une bonne préparation de l’échantillon est essentielle. Enfin, lors de la capture d’une image KPFM, il faut garder à l’esprit qu’une taille de numérisation plus grande permet une plus grande couverture de l’échantillon, mais au prix d’un temps de numérisation accru, car des vitesses de balayage lentes sont nécessaires pour permettre la mesure précise des potentiels Volta par l’électronique de détection.

Il est possible de déduire la noblesse relative des microstructures observées à la surface d’un matériau conducteur à partir de MEV mesurés à l’aide de KPFM (p. ex., couples microgalvaniques, corrosion intergranulaire, corrosion par piqûres). Cependant, les potentiels absolus de Volta des matériaux rapportés dans la littérature varient considérablement 18,24,27. Ce manque de reproductibilité a entraîné des interprétations erronées sur différents systèmes de matériaux et leur comportement à la corrosion^23,25. Par conséquent, pour la détermination des potentiels Volta absolus (c.-à-d. les fonctions de travail) ou la comparaison des MEV mesurés entre laboratoires, sondes ou jours, l’étalonnage de la fonction de travail de la sonde KPFM par rapport à un matériau inerte (p. ex. or) est essentiel^25,48. Une étude réalisée en 2019 par certains des auteurs a examiné différentes sondes KPFM et a montré la variabilité du VPD mesuré résultant entre ces sondes et un étalon aluminium-silicium-or (Al-Si-Au). Des différences dans la fonction de travail ont même été observées pour des sondes individuelles du même matériau nominal et de la même conception (figure 12)²⁵. Comme preuve de concept, l’acier inoxydable 316L assemblé par une brasée CuSil précédemment référencée a été utilisé comme matériau exemplaire pour mesurer les VPD absolus ou les fonctions de travail. Les données des travaux de 2016 de Kvryan et ^coll.30 ont été comparées aux MEV KPFM obtenus sur le même échantillon avec une variété de sondes et utilisés pour analyser les potentiels Volta de brasage interne. En étalonnant la fonction de travail de la sonde en utilisant la partie Au de l’étalon Al-Si-Au comme fonction de travail de référence, la répétabilité du VPD mesuré des phases de brasage s’est améliorée de plus d’un ordre de grandeur, passant de plusieurs centaines de millivolts (Figure 12A) à des dizaines de millivolts (Figure 12C). D’autres améliorations de l’étalonnage peuvent être réalisées en mesurant directement la fonction de travail de la référence inerte (par exemple, par spectroscopie de photoémission ou spectroscopie électronique Auger) ou en calculant la fonction de travail à l’aide de la théorie fonctionnelle de la densité^25,48.

Figure 12 : Effet de l’étalonnage de la sonde sur la reproductibilité potentielle de KPFM Volta. (A) DPV pour les régions riches en cuivre et en argent dans l’échantillon de brasage CuSil obtenu par rapport à trois sondes PFQNE-AL différentes. (B) Les dispositifs VPD pour les trois mêmes sondes par rapport à la partie or de l’étalon Al-Si-Au présentée sur l’axe des ordonnées gauche, avec les valeurs de fonction de travail PFQNE-AL modifiées qui en résultent présentées sur l’axe des ordonnées droites, telles que calculées à partir de la théorie fonctionnelle de la densité. (C) Valeurs maximales de MEV des régions riches en cuivre et en argent obtenues par mise à l’échelle des MEV mesurées par rapport à l’or de l’étalon Al-Si-Au imagé avant l’imagerie de l’échantillon de brasage. L’axe des ordonnées gauche (calculé à l’aide de l’équation au-dessus du panneau C) indique le DPV entre les phases de l’échantillon de brasage et l’étalon-or. L’axe des ordonnées droites (calculé à l’aide de l’équation sous le panneau C) présente la fonction de travail modifiée résultante pour chaque phase en fonction de la fonction de travail modifiée de la sonde calculée dans le panneau B. Cette figure est reproduite à partir d’Efaw et ^al.25. Abréviations : KPFM = microscopie à force de sonde Kelvin; VPD = différence de potentiel Volta. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

En conclusion, la colocalisation des cartes potentielles KPFM Volta avec des techniques SEM avancées, y compris les images SE, les images ESB, les cartes de composition élémentaire EDS et les figures de pôles inverses EBSD peut donner un aperçu des relations structure-propriété-performance. De même, d’autres techniques de caractérisation à l’échelle nanométrique à microscopique, telles que la microscopie confocale Raman à balayage, peuvent également être colocalisées pour fournir des informations structurelles supplémentaires. Cependant, lors de la colocalisation de plusieurs outils de caractérisation, la préparation des échantillons est cruciale, y compris la minimisation de la rugosité de surface et des débris, ainsi que l’identification ou la création de marqueurs fiduciaires fiables pour indiquer l’origine et les axes d’imagerie de l’échantillon (c.-à-d. orientation ou rotation). De plus, l’impact potentiel d’une technique de caractérisation donnée sur les mesures subséquentes doit être pris en considération, et pour cette raison, il est préférable que le KPFM (qui est à la fois non destructif et très sensible à la contamination de surface) soit effectué avant les autres méthodes de caractérisation. Enfin, il est important de minimiser les contaminants de surface, de prendre en compte et de surveiller (ou mieux encore, d’éliminer) les effets confusionnels de l’environnement d’essai (p. ex., l’humidité ambiante) et de calibrer correctement la fonction de travail de la sonde KPFM pour permettre une comparaison fiable et significative des mesures potentielles KPFM Volta rapportées dans la littérature. À cette fin, il est recommandé d’utiliser une boîte à gants à atmosphère inerte pour loger le système AFM (ou, s’il n’est pas disponible, d’utiliser une autre forme de contrôle de l’humidité / environnement à faible humidité) et un étalon d’or ou d’un autre matériau de référence inerte avec une fonction de travail bien caractérisée pour l’étalonnage de la sonde.

matériels

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.