Kelvin Probu Kuvvet Mikroskobunun Diğer Mikroskoplar ve Spektroskopilerle Birlikte Lokalize Edilmesi: Alaşımların Korozyon Karakterizasyonunda Seçilmiş Uygulamalar

Özet

Kelvin probu kuvvet mikroskobu (KPFM), yüzey topografyasını ve yüzey potansiyelindeki farklılıkları ölçerken, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve ilişkili spektroskopiler yüzey morfolojisini, bileşimini, kristalinitesini ve kristalografik oryantasyonunu aydınlatabilir. Buna göre, SEM'in KPFM ile birlikte lokalizasyonu, nano ölçekli bileşimin ve yüzey yapısının korozyon üzerindeki etkileri hakkında fikir verebilir.

Özet

Kelvin probu kuvvet mikroskobu (KPFM), bazen yüzey potansiyeli mikroskobu olarak da adlandırılır, saygıdeğer tarama Kelvin probunun nano ölçekli versiyonudur; her ikisi de salınımlı bir prob ucu ile bir numune yüzeyi arasındaki Volta potansiyel farkını (VPD), büyüklüğe eşit ancak uç-numune potansiyel farkının tam tersi bir nulling voltajı uygulayarak ölçer. İletken bir KPFM probunu bir numune yüzeyi üzerinde tarayarak, yüzey topografyasındaki ve potansiyelindeki nano ölçekli varyasyonlar haritalanabilir, olası anodik ve katodik bölgeler tanımlanabilir ve ayrıca galvanik korozyon için doğal malzeme itici gücü ölçülebilir.

KPFM Volta potansiyel haritalarının, geri dağınık elektron (BSE) görüntüleri, enerji dağıtıcı spektroskopi (EDS) element kompozisyon haritaları ve elektron geri saçılmış kırınım (EBSD) ters kutup rakamları dahil olmak üzere gelişmiş taramalı elektron mikroskobu (SEM) teknikleriyle daha sonra birlikte lokalizasyonu, yapı-özellik-performans ilişkileri hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir. Burada, KPFM'yi SEM ile çok çeşitli teknolojik ilgi çekici alaşımlar üzerinde birlikte lokalize eden çeşitli çalışmaların sonuçları sunulmakta ve korozyonun başlatılmasını ve yayılmasını aydınlatmak için bu teknikleri nano ölçekte birleştirmenin yararlılığını göstermektedir.

Bu tür araştırmalarda göz önünde bulundurulması gereken önemli noktalar ve kaçınılması gereken potansiyel tuzaklar da vurgulanmaktadır: özellikle, prob kalibrasyonu ve ortam nemi (yani, adsorbe edilmiş su), yüzey reaksiyonları/oksidasyonu ve parlatma döküntüleri veya diğer kirleticiler dahil olmak üzere test ortamının ve numune yüzeyinin ölçülen VPD'leri üzerindeki potansiyel kafa karıştırıcı etkiler. Ek olarak, elektron mikroskobu tabanlı tekniklerin sağladıklarının ötesinde daha fazla yapısal içgörü sağlamak için birlikte lokalizasyon yönteminin genel uygulanabilirliğini ve faydasını göstermek için üçüncü bir tekniğin, taramalı konfokal Raman mikroskobunun birlikte lokalizasyonuna bir örnek verilmiştir.

Giriş

Malzemelerin mikroskobik karakterizasyonu, yeni malzemelerin anlaşılması ve geliştirilmesi için temel olarak önemlidir. Çok sayıda mikroskopi yöntemi, topografya, elastikiyet, gerinim, elektriksel ve termal iletkenlik, yüzey potansiyeli, element bileşimi ve kristal oryantasyonu dahil olmak üzere malzeme yüzeylerinin ve özelliklerinin haritalarını sağlar. Bununla birlikte, bir mikroskopi modalitesi tarafından sağlanan bilgiler, ilgilenilen maddi davranışa katkıda bulunabilecek özelliklerin toplanmasını tam olarak anlamak için genellikle yetersizdir. Bazı durumlarda, gelişmiş mikroskoplar, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) içeren ters çevrilmiş bir optik mikroskop platformu veya çoklu tarama probu modaliteleri (örneğin, Kelvin probu kuvvet mikroskobu [KPFM] veya intermodülasyon elektrostatik kuvvet mikroskobu [ImEFM¹], yüzey potansiyel ölçümleri ve manyetik kuvvet mikroskobu [MFM]) kullanan birleşik karakterizasyon yetenekleriyle inşa edilmiştir ^{2,3,4, Aynı} AFM'deki bir örneği karakterize etmek için 5. Daha genel olarak, yapı-özellik korelasyonları elde etmek için iki ayrı mikroskoptan gelen bilgileri birleştirmek istiyoruz ^6,7. Taramalı Kelvin probu kuvveti mikroskobunun taramalı elektron ve Raman tabanlı mikroskoplar ve spektroskopiler ile birlikte lokalizasyonu, iki veya daha fazla ayrı mikroskoptan elde edilen bilgileri, korozyon davranışını anlamak için metal alaşımlarının çok modlu karakterizasyonu olan belirli bir uygulama örneği yoluyla ilişkilendirme sürecini göstermek için burada sunulmuştur.

Korozyon, malzemelerin çevreleriyle kimyasal ve elektrokimyasal olarak reaksiyona girdiği süreçtir⁸. Elektrokimyasal korozyon, bir elektrolit varlığında bir anot ve bir katot arasında meydana gelen elektron ve yük transferini içeren kendiliğinden (yani, termodinamik olarak elverişli, serbest enerjideki net bir azalma ile yönlendirilen) bir işlemdir. Bir metal veya alaşımlı yüzeyde korozyon meydana geldiğinde, mikro-galvanik korozyon⁹ olarak bilinen bir işlemde mikroyapısal özelliklerin bileşimindeki değişikliklere bağlı olarak anodik ve katodik bölgeler gelişir. Birlikte lokalize, nano ölçekli karakterizasyon tekniklerinin kullanılmasıyla, burada açıklanan yöntemler, çok çeşitli alaşım mikroyapısal özellikleri arasındaki olası mikro-galvanik çiftleri tanımlamak için deneysel bir yol sağlar ve korozyon azaltma ve yeni malzemelerin geliştirilmesi için potansiyel olarak yararlı bilgiler sağlar. Bu deneylerin sonuçları, alaşım yüzeyindeki hangi mikroyapısal özelliklerin aktif korozyon sırasında yerel anot bölgeleri (yani oksidasyon bölgeleri) veya katotlar (yani indirgeme bölgeleri) olarak hizmet etmesinin muhtemel olduğunu belirleyebilir ve ayrıca korozyon başlatma ve reaksiyonlarının nano ölçekli özellikleri hakkında yeni bilgiler sağlayabilir.

KPFM, sırasıyla 10 nanometre ve milivolt sırasına göre çözünürlüklere sahip bir örnek yüzeyinin eşzamanlı (veya satır satır sıralı) topografyasını ve Volta potansiyel fark (VPD) haritalarını üretebilen AFM tabanlı bir tarama probu mikroskobu (SPM) karakterizasyon tekniğidir^. Bunu başarmak için KPFM, nano ölçekli bir uca sahip iletken bir AFM probu kullanır. Tipik olarak, prob ilk önce numune yüzeyindeki topografik varyasyonları izler, daha sonra prob ile numune arasındaki VPD'yi (yani, numune yüzeyinin göreceli Volta potansiyelini) ölçmek için topografya çizgisini izlemeden önce numune yüzeyinin üzerinde kullanıcı tanımlı bir yüksekliğe kaldırır. KPFM ölçümlerini pratik olarak uygulamanın birden fazla yolu olmasına rağmen, temel olarak, VPD'nin belirlenmesi, uygulanan AC önyargı frekansında (veya heterodin yükseltilmiş toplamı ve fark frekanslarında) probun salınımını sıfırlayarak belirtildiği gibi uç-numune potansiyel farkını geçersiz kılmak için aynı anda hem bir AC yanlılığı (sunulan uygulamada, proba) hem de değişken bir DC yanlılığı (sunulan uygulamada, numuneye) uygulanarak gerçekleştirilir. probun doğal mekanik rezonans frekansının her iki tarafı) ¹¹. Uygulama yönteminden bağımsız olarak, KPFM metalik bir yüzey¹² boyunca ilişkili yüksek yanal uzamsal çözünürlüklü topografya ve VPD haritaları üretir.

KPFM ile ölçülen VPD, numune ve prob arasındaki iş fonksiyonundaki farkla doğrudan ilişkilidir ve ayrıca VPD (genellikle)^{çözelti 13,14,15'teki} elektrot potansiyeli ile eğilim ^gösterir. Bu ilişki, VPD'ye dayanan mikroyapısal özelliklerin beklenen (yerel) elektrot davranışını belirlemek için kullanılabilir ve bir dizi metal alaşımlı korozyona uğratma sistemi için araştırılmıştır 15,16,17,18,19,20,21,22 . Ek olarak, ölçülen VPD yerel bileşime, yüzey katmanlarına ve tane / kristal / kusur yapısına duyarlıdır ve bu nedenle, metal bir yüzeyde korozyon reaksiyonlarını başlatması ve yönlendirmesi beklenen özelliklerin nano ölçekte aydınlatılmasını sağlar. VPD'nin (Ψ), yararlı diyagramlar ve doğru elektrokimya terminolojisinin kesin tanımları da dahil olmak üzere^{literatür 13,14'te} daha ayrıntılı olarak açıklandığı gibi^, (ölçülemez) yüzey potansiyeli (χ) ile ilişkili ancak ondan farklı olduğu belirtilmelidir²³. KPFM'nin korozyon çalışmalarına uygulanmasındaki son gelişmeler, numune hazırlamanın, ölçüm parametrelerinin, prob tipinin ve dış ortamın^24,25,26,27 etkisinin dikkatli bir şekilde değerlendirilmesi yoluyla elde edilen verilerin kalitesini ve tekrarlanabilirliğini büyük ölçüde artırmıştır.

KPFM'nin bir dezavantajı, yüzey VPD'sinin nano ölçekli bir çözünürlük haritasını oluştururken, bileşim hakkında doğrudan bilgi sağlamaması ve bu nedenle, VPD'deki varyasyonların elemental bileşimdeki farklılıklarla korelasyonunun, tamamlayıcı karakterizasyon teknikleriyle birlikte lokalizasyon yoluyla sağlanması gerektiğidir. KPFM'yi SEM ile birlikte lokalize ederek, enerji dağıtıcı spektroskopi (EDS), elektron geri saçılımlı kırınım (EBSD) ve / veya Raman spektroskopisi, bu tür bileşimsel ve / veya yapısal bilgiler belirlenebilir. Bununla birlikte, nanoölçek tekniklerinin birlikte lokalize edilmesi, görüntülemenin aşırı büyütülmesi, görüş alanı ve çözünürlükteki farklılıklar ve karakterizasyon²⁸ sırasındaki örnek etkileşimleri nedeniyle zor olabilir. Bir numunenin aynı bölgesinin nano-mikro ölçekli görüntülerinin farklı aletlerde elde edilmesi, tekniklerin birlikte lokalize edilmesi ve sıralı karakterizasyon sırasında olası çapraz kontaminasyon nedeniyle artefaktların en aza indirilmesi için yüksek hassasiyet ve dikkatli planlama gerektirir^18,28.

Bu makalenin amacı, KPFM ve SEM görüntülemeyi birlikte lokalize etmek için sistematik bir yöntem tanımlamaktır; bunlardan ikincisi EDS, EBSD veya Raman spektroskopisi gibi diğer karakterizasyon teknikleriyle değiştirilebilir. Karakterizasyon adımlarının doğru sıralanmasını, KPFM çözünürlüğü ve ölçülen VPD'ler üzerindeki çevresel etkileri, KPFM prob kalibrasyonunu ve SEM veya diğer gelişmiş mikroskopi ve spektroskopi tekniklerini KPFM ile başarılı bir şekilde birlikte lokalize etmek için kullanılabilecek çeşitli stratejileri anlamak gerekir. Buna göre, SEM'i KPFM ile birlikte yerelleştirmek için adım adım genelleştirilmiş bir prosedür sağlanmış, ardından anlamlı sonuçlar elde etmek için yararlı ipuçları ve püf noktaları ile birlikte bu tür birlikte yerelleştirmenin örnek çalışmaları takip edilmiştir. Daha genel olarak, burada açıklanan prosedür, çeşitli malzeme sistemlerinde yararlı yapı-özellik ilişkileri elde etmek için KPFM ve diğer AFM modları ile diğer mikroskopi modalitelerinden elde edilen görüntüleri / özellik haritalarını birlikte lokalize etmek için geniş çapta uygulanabilir bir süreci özetlemeye hizmet etmelidir 6,7,29,30,31,32.

Protokol

1. Bir metal alaşımının birlikte lokalize görüntülenmesi için örnek numune hazırlama

1. AFM'nin boyutsal gereksinimlerini ve kullanılacak diğer karakterizasyon araçlarını karşılayacak kadar küçük numuneler hazırlayın (örneğin, burada kullanılan AFM durumunda, Malzeme Tablosuna bakın, numunelerin AFM kafasının altına sığacak <18 mm) yüksekliğe sahip olduğundan emin olun), AFM aşamasının numune ayna vakumuna karşı sızdırmazlık sağlayacak kadar pürüzsüz, tabanda yeterince pürüzsüz, gevşek döküntü olmadan minimum yüzey pürüzlülüğü sergiler ve tabandan üst yüzeye iletken bir yol sağlar.
   1. Numuneleri kabul edilebilir boyutlarda kesin ve yüksek vakum uyumlu epoksiye gömün (Malzeme Tablosuna bakınız; ~ 25 mm çapında silindirik bir kalıp tipiktir).
2. Numuneleri nanometre ölçeğinde yüzey pürüzlülüğüne göre cilalayın.
   NOT: Temsili bir parlatma yöntemi sağlanır; Belirli malzemeler veya numuneler için kullanılan alternatif parlatma yöntemleri için buradaki referanslara bakınız. Aşağıdaki örnek parlatma yöntemi, bir parlatma tekerleği kullanılarak elle parlatma yöntemini kullanır.
   1. Daha kaba kumlarla başlayın ve giderek daha ince kumlu silikon karbür aşındırıcı disklere doğru çalışın.
      1. Kaba kumdan ince kuma (örneğin, ANSI Standart 120 kum ila 1200 kum) silikon karbür aşındırıcı disklere kadar çalışın ve her kum seviyesinde 5 dakika harcayın. Her kum seviyesi arasında, minimum çizik olduğunu veya hiç çizilmediğini görsel olarak onaylamak için numuneyi optik mikroskop altında kontrol edin.
         NOT: ANSI Standardı 120 kum ve 1200 kum aşındırıcı kağıtlar sırasıyla Avrupa P-Grade P120 ve P4000'e karşılık gelir.
   2. Susuz 1 μm elmas süspansiyon ve ardından 0,05 μm elmas süspansiyon kullanarak 10 dakika boyunca el cilası yapın.
   3. Titreşimli bir parlatıcı kullanarak, numuneyi 0,05 μm veya 0,08 μm sulu kolloidal silika cila ile 24 saat boyunca parlatın.
      NOT: Titreşimli bir parlatıcı kullanmak, elle parlatma işleminden daha ince bir yüzey sağlar ve daha yüksek kaliteli KPFM görüntülerle sonuçlanır.
   4. İncelenen malzeme hızlı oksidasyona uğramazsa, herhangi bir artık parlatma bileşiğini veya malzeme kalıntılarını gidermek için uygun bir çözücü (örneğin, kullanılan epoksi ve parlatma bileşiklerine bağlı olarak etanol, ayrıca alaşım bileşimine bağlı olarak) ile bir beherde sonikleştirmeden önce numuneyi deiyonize su (veya susuz alkol gibi başka bir uygun, daha az oksitleyici çözücü) ile durulayın.
   5. Numuneyi sonikatörden çıkarın, çözücü ile durulayın ve basınçlı hava veya ultra yüksek saflıkta (UHP,% 99.999) sıkıştırılmış azot gazı ile kurulayın.
   6. Cilanın yeterli olup olmadığını belirlemek için optik mikroskopi kullanın. Numunenin yüzeyinde neredeyse hiç görünür çizik olmadığından emin olun (ideal olarak ayna benzeri görünür).
3. Bir menşe ve eksen oluşturmak için istenen birlikte yerelleştirme yöntemini uygulayın (örneğin, örnek konumu/kaydı ve oryantasyon/rotasyon).
   NOT: Olası birlikte lokalizasyon yöntemleri, bir nanoindent dizisi, çizik referansı, silinmez mürekkep noktası veya birlikte lokalize edilecek mikroskopların optik sistemlerinde kolayca tanınabilen başka bir özelliği içerir. Parlatma işleminden sonra görülebilen kolayca tanınabilir optik özelliklerin bir örneği için Şekil 1'e bakın.
   1. Tanınabilir referans belirteçleri üretmek için ticari aletli bir nanoindenter kullanarak parlatma işleminden önce veya sonra nanoindensiyon yapın (Şekil 2).
   2. Alternatif olarak, parlatma işleminden sonra mürekkep noktaları veya çizikler (örneğin, bir mikromanipülatör probu, tıraş bıçağı veya elmas yazıcı ile) yapın. Numune üzerinde daha sonra korozyon testi yapılacaksa, bu yöntemlerden kaçının.

Resim 1: Kolokalize optik mikroskop ve KPFM görüntüleri. (A) Optik mikroskop ve (B) bir Cu-Ag-Ti (CuSil) lehiminin A'sındaki kutulu bölgenin yakınlaştırılmış KPFM görüntüsü, lehim alaşımı içinde bakır bakımından zengin ve gümüş bakımından zengin fazdan ayrılmış alanların açık kanıtlarını gösteren, göz³⁰ ile tanımlanabilecek kadar belirgin. Kantar çubukları: (A) 25 μm, (B) 7 μm. Kısaltma: KPFM = Kelvin probu kuvvet mikroskobu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: KPFM ve elektron mikroskobunun birlikte lokalizasyonu için nanoindentasyon referansları. Elmas Berkovich probu ile donatılmış bir nanoindenter tarafından üç referans işaretinden oluşan asimetrik bir modelin (1-3 olarak etiketlenmiş ve XY eksenleri için iki daire ve orijin için bir üçgen ile belirtilmiş) oluşturulması, çoklu karakterizasyon teknikleri kullanılarak aynı ilgi alanının analiz edilmesine izin vermiştir: (A) SE SEM görüntüleme, (B) BSE SEM görüntüleme, ve (C) α-Ti ve (D) β-Ti'nin EBSD ölçümleri.  A-D panellerindeki eğimli, noktalı kare ile gösterilen alan daha sonra (E) yükseklik ve (F) Volta potansiyel görüntüleri üretmek için AFM / KPFM ile karakterize edildi. A-D'deki küçük katı ve kesikli dikdörtgenler, daha ayrıntılı olarak analiz edilen daha yüksek çözünürlüklü KPFM taramalarının alanlarını temsil eder (bkz. Şekil 9). Bu rakam Benzing ve ^{ark.32'den çoğaltılmıştır}. Ölçek çubukları = 20 μm. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SE = ikincil elektron; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; EBSD = elektron geri saçılmış kırınım; AFM = atomik kuvvet mikroskobu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. KPFM görüntüleme

1. AFM'yi açın ve ilgili kontrol yazılımını açın (AFM'ye özel, Ek Materyallerde yer alan Malzeme Tablosuna ve KPFM standart işletim prosedürüne (SOP) bakın). Açılan Deneyi Seç penceresinde, uygun Deney Kategorisini, Deney Grubunu ve Deneyi seçin (bu durumda Elektrik ve Manyetik, Elektriksel ve Manyetik Kaldırma Modları ve PeakForce KPFM; Ek Malzemeler SÇP'sinde Şekil 1'e bakın), ardından istenen iş akışını açmak için Denemeyi Yükle'ye tıklayın. Deneme iş akışı açıldıktan sonra, iş akışında Kurulum'a tıklayın.
2. İletken bir AFM probunu uygun prob tutucuya monte edin ve sabitleyin ( Malzeme Tablosuna bakın), prob tutucuyu AFM kafasına takın ve lazeri prob konsolunun arkasına ve konuma duyarlı dedektöre (PSD) hizalayın. (Prob yükleme ve lazer hizalama prosedürleri hakkında daha fazla ayrıntı ve görüntü için Ek Materyaller'deki SÇP'ye bakınız).
   NOT: Seçilen prob tutucunun, yanlılık için probdan AFM'ye sürekli bir elektrik yolu sağladığından emin olun.
   1. Probu prob tutucuya dikkatlice takın. AFM kafasını çıkarın. Prob ve prob tutucuyu, prob tutucu üzerindeki delikleri kafadaki temas pimleriyle hizalayarak takın. Kafayı AFM'ye takın ve kafayı yerine sabitleyin.
      NOT: Elektrostatik deşarj (ESD), birçok KPFM probundaki iletken metal kaplamaya ve hassas AFM elektroniklerine kolayca zarar verebilir, bu nedenle çevresel koşullara (örneğin, nem) bağlı olarak, ESD önleyici eldiven giymek ve / veya topraklama bilek kayışı veya paspas kullanmak gibi karşı önlemleri göz önünde bulundurun.
   2. Prob Ayarları menüsünde, kullanılan Prob Tipi'nin görüntülendiğinden emin olun. Gerekirse, Araştırma Seç'i tıklayın ve açılır menüden doğru araştırma türünü seçin, ardından Değişiklikleri İade Et ve Kaydet'i tıklayın.
   3. Netleme İpucu menüsünde, Netleme Kontrolleri yukarı/aşağı oklarını kullanarak konsol ucunu netlemeye getirin. Netleme Hızı, optik Yakınlaştırma ve video Aydınlatmasını gerektiği gibi ayarlayın. Konsol ucu odaklandıktan sonra, ucun konsol distal ucundan bilinen aksaklığına bağlı olarak, ucun konsol altındaki konumuna karşılık gelen konumdaki optik görüntüye tıklayarak artı işaretini uç konumu üzerinde hizalayın.
      NOT: Uç gerileme tipik olarak prob üreticisi tarafından belirtilir/prob üreticisinden temin edilebilir.
   4. AFM kafasındaki Lazer Hizalama düğmelerini kullanarak, lazeri prob konsolunun arka kısmının ortasına distal uca doğru hizalayın (yani, prob alt tabakasından uca doğru / uzağa) ve Dikey ve Yatay sapmaları en aza indirirken Toplam voltajı en üst düzeye çıkarmak için yansıyan ışını PSD üzerinde ortalayın.
3. Numuneyi aynaya yükleyin ve Açma/Kapama kolu anahtarını kullanarak Chuck Vakumunu açın. Numuneden mandrene sürekli bir elektrik yolu sağlamak için ince bir iletken gümüş macun çizgisi uygulayın (Malzeme Tablosuna bakın). Gümüş macun kuruduktan sonra, bir multimetre kullanarak numunenin üst yüzeyinin numune kıkırdatma/sahne için iyi bir sürekliliğe sahip olduğundan emin olun. (Daha fazla ayrıntı için Ek Materyaller'deki SÇP'ye bakınız.)
   NOT: Numune ile sahne/ayna arasındaki elektrik bağlantısı iyi değilse, KPFM görüntüleme sırasında elde edilen potansiyel kanal verileri gürültülü ve/veya hatalı olacaktır.
4. Seçin Gezin AFM kontrol yazılımı iş akışındaki pencereyi açın ve sahne hareketini kullanarak probu numunenin üzerine taşıyın XY Kontrolü Ok. Örneklem yüzeyini Tarama Kafası yukarı/aşağı oklar, ardından sahne alanı hareketini kullanın XY Kontrolü Belirlenen menşei bulmak ve ilgilenilen bölgeye (ROI) gitmek için tekrar oklar. (Bkz. Şekil 8 ve Şekil 9 İçinde Ek Materyaller SÇP).
   1. Yüzeye dikkatli bir şekilde yaklaşın (tarama kafası hareket hızını gerektiği gibi ayarlayın) ve yüzeyi odaklayın. Probu numune yüzeyine çarpmamaya dikkat edin, çünkü bu probun veya numunenin hasar görmesine neden olabilir.
      NOT: Burada kullanılan AFM kontrol yazılımı iki odaklama seçeneği sunar: Örnek (varsayılan) ve İpucu Yansıması. İlki, 1 mm'lik bir odak uzaklığı kullanır, böylece AFM konsol, yüzey optik görünümde odakta göründüğünde yüzeyin ~ 1 mm üzerinde olacaktır. İkincisi, AFM konsol yüzeyin ~ 2 mm üzerinde olduğunda yüzeyin odakta görünmesi için 2 mm'lik bir odak uzaklığı kullanır, konsol yüzeyin ~ 1 mm üzerinde olduğunda uç yansıması odakta görünecektir (oldukça cilalı, yansıtıcı bir numune yüzeyi varsayarak). Bu nedenle, yüzeye yaklaşmak için önerilen bir yöntem, Uç Yansıması modunda başlamak ve numune yüzeyi odaklanana kadar tam hızda (% 100) yaklaşmak, ardından Örnekleme'ye ( varsayılan ) geçmek ve yüzeyden 2 mm'den 1 mm'ye çıkmak için orta hızda (% 20) yaklaşmaktır.
   2. Prob ucunun hemen altına kolayca tanımlanabilen/ayırt edici bir özelliği konumlandırmak için sahne hareketi XY Control'ü kullanın (AFM ve burada kullanılan yazılım için optik görüntüleme penceresindeki artı işareti ile gösterilir). Özelliğin üzerine geldiğinizde, araç çubuğunda Kalibre Et'i tıklatıp ardından Optik ve Optik/SPM Ekseni Eşdoğrusallığı'nı seçerek yana monte edilmiş kamera optiklerinin neden olduğu paralaksı düzeltin. İleri'yi tıklatarak eşdoğrusallık kalibrasyonu adımlarını gözden geçirin. Son'u tıklamadan önce artı işaretlerini sunulan optik görüntülerin her birinde aynı ayırt edici özelliğin üzerine hizalayın, ardından devam etmek için yazılım iş akışında Gezin'i tıklayın.
   3. Belirlenen orijini bulun (seçilen/kullanılan birlikte lokalizasyon yöntemine dayanarak) ve X ve Y koordinat eksenlerini (yani, numune oryantasyonu ve rotasyonu) buna göre hizalayın, prob ucunu orijin üzerinde ortalayın. İstenilen yatırım getirisine tekrarlanabilir navigasyonu ve diğer karakterizasyon teknikleri/cihazlarıyla birlikte yerelleştirmeyi etkinleştirmek için, yazılım penceresinin altında gösterilen X ve Y konum değerlerini (μm cinsinden) not edin. Belirlenen menşei aştıktan sonra, XY konumunu kaydedin, ardından istenen alana (ROI) gidin ve yeni XY pozisyonunu kaydedin. KPFM'yi diğer mikroskopi ve spektroskopi teknikleriyle birlikte lokalize ederken X ve Y yönlerinde hareket edilecek mesafeyi belirlemek için bu iki konum arasındaki farkı hesaplayın.
      NOT: Aşağıdaki alt adımlarda daha ayrıntılı olarak açıklandığı gibi, YG'nin kaynağa göre konumunu belirlemenin ve tanımlamanın birden çok yolu vardır.
      1. Araç çubuğunda Sahne Alanı'nı tıklatın ve Şuraya Taşı'yı seçin. Kaynak XY konumunu kaydedin ve ardından YG için kaynaktan istenen mesafeye göre mutlak (varsayılan) veya göreli (Göreli Hareket onay kutusunu seçerek) X ve Y hareket değerlerini girin (veya sahne alanı hareketi kontrollerini kullanarak YG'ye gidin ve yeni XY konumunu not edin).
      2. Alternatif olarak, en sezgisel ve dolayısıyla tercih edilen yöntem, araç çubuğunda Sahne Alanı'nı tıklatıp Başvuruları Ayarla'yı seçmektir. Belirlenen kaynağın üzerindeyken, X ve Y konum değerlerini sıfırlamak için Kaynağı Tanımla altında Noktayı Kaynak Olarak İşaretle'yi tıklatın. Ardından, probu istediğiniz YG'ye taşıyın ve kaynağından YG'ye olan mesafeyi ekranın altında X ve Y değerleri olarak görüntülenen YG'ye not edin.
5. AFM'yi çevreleyen akustik başlığı kapatın ve kilitleyin.
   NOT: Yukarıdaki yöntem standart bir ortam ortamı AFM sistemi varsayar, ancak KPFM inert atmosfer eldiven kutusunda da gerçekleştirilebilir. Daha zor olsa da, bir eldiven kutusuna yerleştirilmiş bir AFM'nin kullanılması, ortam koşullarında yaşanan değişken neme göre daha düşük kaldırma yükseklikleri (ve dolayısıyla daha yüksek uzamsal çözünürlük) ve daha tekrarlanabilir VPD ölçümleri sağladığı ve parlatma işleminden sonra numune üzerinde pasif oksit tabakası oluşumunu veya korozyonu önlediği için daha az miktarda yüzey suyu nedeniyle oldukça faydalı olabilir (Şekil 3 ). KPFM deneylerini ortam koşullarında yapıyorsanız, sıcaklığı ve bağıl nemi dikkatlice kontrol etmeniz (mümkünse) ve izlemeniz önerilir. Daha fazla ayrıntı için tartışmaya bakın.
6. Parametreleri Denetle iş akışı penceresini seçin ve varsayılan başlangıç görüntüleme parametrelerinin kabul edilebilir olduğundan emin olun. Araç çubuğundaki Mikroskop ayarlarına gidin, Etkileşim Ayarları'nı seçin ve varsayılan Etkileşim Parametrelerinin kabul edilebilir olduğundan emin olun, istenirse bunları değiştirin. (Daha fazla ayrıntı için Ek Materyallerdeki SÇP'ye bakınız). Yüzeyde etkileşim kurmak için iş akışındaki Etkileşim düğmesini tıklatın. Ucun düzgün bir şekilde bağlandığından emin olmak için devreye alma işlemini izleyin.
   NOT: Devreye Sok'a tıklandığında, yazılım ekranının altındaki İpucu Güvenli bildirimi Motor: ZZ olarak değişecektir. Z μm nerede ZZ. Z, step motorun numune yüzeyine doğru hareket ettiği mesafedir. Prob, yüzeyi yaklaşık olarak Etkileşim Ayarları'nda seçilen SPM Güvenliği ayarında tutmalıdır (varsayılan değer 100 μm'dir). Özellikle uzun uçlu (yani, büyük uç yüksekliği) bir prob kullanılıyorsa, devreye alma işleminin ilk hızlı iniş kısmı sırasında probun çarpmasını önlemek için SPM Güvenliğini artırmak gerekebilir (yani, SPM Güvenliği, konsoldan ucun sonuna kadar olan mesafe olarak tanımlanan prob ucu yüksekliğinden daha büyük olmalıdır, artı yüzey odak mesafesindeki belirsizlik).
7. Devreye girdikten sonra, eğriye sağ tıklayıp Görüntü Türünü Değiştir'i seçerek kuvvet eğrisinin görüntü türünü Force vs Time yerine Force vs Z'ye değiştirin. Tarama arabiriminin Parametreler penceresinde AFM topografyasını ve KPFM parametrelerini optimize edin (Ek Materyaller'deki tartışmaya ve KPFM SÇP'ye bakın). Capture > Capture Filename (Dosya Adı) altında uygun bir Dizin yolu ve Dosya Adı tanımladıktan sonra, istediğiniz sonraki tamamlanmış görüntünün yakalanmasını ayarlamak için Yakala simgesini tıklayın, ardından görüntü yakalandıktan sonra iş akışında Geri Çek'i tıklatın (veya alternatif olarak işlemi otomatikleştirmek için Capture > Capture Withdraw (Yakalama Yakalama Geri Çekme) seçeneğini tıklatın.

Şekil 3: İnert ve ortam atmosferinin KPFM Volta potansiyel ölçümleri üzerindeki etkisi. (A) kuru_N2 ve (B) ortam havasında elde edilen ikili bir MgLa alaşımının aynı alanının KPFM görüntüleri, aynı tip prob ve görüntüleme yöntemine sahip AFM'nin aynı marka ve modelinde. Her iki durumda da, örneklem görüntüler arasında bir gecede inkübasyon ile iki kez görüntülendi. Havadaki görüntüler N_2'deki görüntülerden 1 gün sonra elde edildi. Sonuçlar, KPFM kontrastının, alaşım yüzeyinde oluşan ince bir pasifleştirici oksit tabakası olarak ortam havasına maruz kaldıktan sonra zamanla bozulduğunu göstermektedir. İnert atmosfer (kuru N₂) eldiven kutusu AFM sisteminin kullanılması, daha yüksek yanal uzamsal çözünürlük sağlayabilen daha düşük kaldırma yüksekliklerinin kullanılmasına da izin verdi. Ölçek çubukları = 10 μm. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; AFM = atomik kuvvet mikroskobu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. SEM, EDS ve EBSD görüntüleme

NOT: KPFM'den sonra herhangi bir elektron mikroskobu veya spektroskopi karakterizasyonu yapmak en iyisidir, çünkü elektron ışını numune üzerinde istenmeyen bir karbon kaplama biriktirebilir (yani, elektron ışını birikimi); Bu kontaminasyon tabakası KPFM ile ölçülen VPD'yi etkileyecektir (örneğin, Hurley ve ark.'daki Şekil 2'ye bakınız. ¹⁸ veya Mallinson ve Watts ^28'deki Şekil 1). İnce karbon kontaminasyonu katmanları, çok yüksek vakum koşullarında bile birikebilir ve yüzey potansiyel ölçümlerini etkiler.

1. Numunenin şarjı engellediğinden emin olun. Numune yeterince iletken değilse (tipik olarak metal alaşımları için geçerli değildir), görüntülemeden önce karbon kaplamayı göz önünde bulundurun. Numuneyi SEM odasına yükleyin. Odayı kapatın ve aşağı pompalayın (boşaltın); Işın Açık düğmesini kullanarak elektron ışınını açın . Numune yüzeyinin maksimum görüş alanını (FOV) elde etmek için büyütme düğmesini kullanarak optik olarak uzaklaştırın.
2. Belirlenen kaynağı bulun (ör. nanogirinti, çizik, silinmez mürekkep noktası, optik özellik), sonra Büyütme düğmesini kullanarak yakınlaştırın. X ve Y eksenlerini, sahne alanı döndürme ve eğme seçeneklerine değerler girerek referans işaretleyicilerine göre yönlendirin (yani, örnek oryantasyonunu / rotasyonunu ayarlayın). Gerektiğinde yakınlaştırın ve belirlenen yatırım getirisinin istenen görüntülerini (örneğin, ikincil elektron [SE], BSE ve EDS haritaları) yakalayın ve dosyaları kaydedin.
   NOT: SEM, AFM'den daha geniş bir FOV sunduğundan, KPFM ile birlikte yerelleştirilecek tüm alanın yakalanmasını garanti etmek için geniş bir alan SEM görüntüsü elde etmek genellikle yararlıdır (tartışmaya bakın).

4. KPFM, SEM, EDS ve EBSD görüntü bindirmesi ve analizi

1. Ham verileri gerektiği gibi işlemek için her karakterizasyon aracı için uygun yazılımı kullanın (bkz. Elde edilen KPFM ve SEM görüntülerini, kullanılacak görüntü bindirme yazılımı için istenen dosya formatlarında (örneğin, *.spm, *.txt, *.jpg, *.tif, vb.) kaydedin ve dışa aktarın.
   1. Yüksek kaliteli görüntüler sağlamak için KPFM verilerini uygun şekilde işleyin (bkz.
      NOT: Kullanılan belirli AFM donanım ve yazılım yapılandırmasına bağlı olarak, ölçülen VPD'lerin duyusunun (yani işaret ve göreceli sıralamanın) tersine çevrilmesi ve tersine çevrilmesi gerekebilir. VPD'yi, numunenin Volta potansiyeli eksi prob ucununki olarak rapor etmek gelenekseldir, daha büyük, daha pozitif bir Volta potansiyeli ile gösterilen daha asil / daha az kolay oksitlenmiş yüzeylerle, tıpkı çalışma fonksiyonlarının tipik olarak büyük, pozitif bir değer olarak rapor edileceği gibi, bir elektronun yüzeyden çıkarılmasının göreceli zorluğunu gösterir.
      1. KPFM veri dosyasını açtıktan sonra, örnek ucunu ve eğimini kaldırmak için KPFM görüntülerinin AFM topografyasına (Yükseklik Sensörü) ilk dereceden Düzlem Sığdırma ve ayrıca prob aşınması veya prob ucundaki kalıntıların toplanması nedeniyle herhangi bir satırdan hatta ofseti telafi etmek için gerekirse birinci dereceden Düzleştir'i uygulayın.
         NOT: Mutlak Volta potansiyel ölçümleri isteniyorsa (tartışmaya bakın) veya aynı prob ile ölçülen KPFM VPD'leri içeren birden fazla görüntü karşılaştırılacaksa, KPFM Volta potansiyel kanalını işlemeyin (yani, ham değeri, elde edilen veriler olarak kullanın). Bunun yerine, kullanıcılar yalnızca görüntülenen örnek bölgenin içindeki (yani, tamamen içinde bulunan) mikroyapıların göreceli VPD'leriyle ilgileniyorlarsa, görüntü kalitesini artırmak için KPFM Potansiyel kanalını Düzleme Sığdırmaya ve Düzleştirmeye izin verilir .
      2. Önce AFM topografya görüntüsünün solundaki Potansiyel kanal küçük resmini seçip, ardından KPFM VPD haritasının sağındaki renk ölçeği çubuğunu çift tıklatarak Görüntü Renk Ölçeği Ayarla penceresini Renk Seç Tablosu sekmesine açarak KPFM görüntüleri için istediğiniz renk düzenini/gradyanı seçin.
      3. Image Color Scale Adjust (Görüntü Renk Ölçeği Ayarlaması) penceresinin Veri Ölçeğini Değiştir sekmesinde KPFM VPD görüntüsü için uygun bir ölçek çubuğu aralığı (Minimum ve Maksimum değer) girin ve ardından (yani, Minimum ve Maksimum değer) tıklayın. Yükseklik Sensörü kanalı küçük resmini ilk (yeniden) seçtikten sonra AFM topografya görüntüsü için bu işlemi tekrarlayın. İşlenen AFM topografya görüntüsünün ve KPFM VPD haritasının görüntü dosyaları olarak Dergi Kalitesi Dışa Aktarımlarını Kaydet (örneğin, *.jpg, *.tif, vb.).
2. İşlenmiş AFM topografya görüntüsünü ve KPFM VPD haritasını, ham SEM görüntüsüyle birlikte, tercih ettiğiniz görüntü işleme yazılımında açın (bkz. Hem AFM/KPFM verilerinde hem de SEM görüntülerinde (ör. SE, BSE, EDS, EBSD, vb.) belirtilen kaynağı tanımlayın. İki görüntüdeki kökenleri üst üste yerleştirin, ardından seçilen referans işaretleri veya karakteristik özellikler tarafından belirlenen X ve Y koordinat eksenlerini kullanarak görüntüleri dönüşümlü olarak hizalayın. Görüntüleri gerektiği gibi ölçeklendirin.
   NOT: AFM ve SEM görüntülerindeki topografya özellikleri birbiriyle aynı hizada olmalıdır ve farklı kompozisyonlar için diferansiyel parlatma oranları ve VPD'ler nedeniyle KPFM ve kompozisyon bilgileriyle (örneğin, BSE görüntüsü veya EDS haritaları) karşılık gelebilir. Görüntüleri üst üste yerleştirirken ve hizalatırken, üstteki (üst üste bindirilmiş) görüntünün saydamlığını artırmak genellikle yararlıdır.

Sonuçlar

İkili Mg alaşımı: KPFM ve SEM
Üstün mukavemet-ağırlık oranları nedeniyle, magnezyum (Mg) alaşımları taşınabilir elektronikte ve bisiklet, araba ve uçak gibi ulaşım uygulamalarında yapısal bileşenler olarak kullanılmak üzere ilgi çekicidir. Ek olarak, Mg alaşımları katodik koruma için ve akü sistemlerinde^{anotlar olarak kullanılır 33,34,35}. Saf Mg, çok ince olması nedeniyle pasif, koruyucu bir oksit filmi oluşturamaz (MgO'nun Pilling-Bedworth oranı 0.81'dir), bu da diğer iletken malzemelerin çoğuyla alaşımlandığında oldukça aktif bir metal olmasına neden olur (standart hidrojen elektroduna karşı -2.372 V'luk azalma potansiyeli) ⁹. Magnezyum alaşımlı korozyonun birincil itici gücü, katodik reaksiyonun anodik çözünme ile arttırıldığı katodik aktivasyondur²⁹. Bu süreci engellemenin bir yolu, katodik hidrojen evrim reaksiyonunu yavaşlatan metal ilaveleriyle mikro alaşımlamadır. 2016 yılında yapılan bir çalışmada, ikili bir Mg alaşımı²⁹ üretmek için germanyumun (Ge) bir mikro alaşım elementi olarak dahil edilmesi incelenmiştir. KPFM, farklı Volta potansiyellerine sahip bölgelerin varlığını gösterdi ve ilgili VPD'leri ölçtü; ancak, bu sonuç tek başına bu bölgelerin temel yapısını ayırt edemedi. KPFM'yi BSE SEM (atom numarasına dayalı element kontrastı sağlayan) ile birlikte lokalize ederek, Şekil 4'teki üst üste binmiş görüntülerde gösterildiği gibi, matrisin ve Mg₂Ge ikincil fazının göreceli soylulukları (yani, muhtemel anodik / katodik davranış bölgeleri) doğru bir şekilde tanımlanmıştır. Aktif korozyon sırasında, Mg₂Ge ikincil fazı, indirgeme için tercihli bir bölge olarak gözlendi ve bu da korozyon mekanizmasını Mg üzerindeki yaygın, filiform benzeri korozyondan, Ge dahil edildiğinde minimum bölgelerde azaltılmış saldırıya kaydırdı ve böylece malzemenin korozyon performansını artırdı.

Cu-Ag-Ti üçlü lehim alaşımı: KPFM ve SEM / EDS
Lehimleme, kaynak³⁶ gibi diğer yaygın metal birleştirme tekniklerine göre daha düşük sıcaklıkta bir alternatiftir. Bununla birlikte, 316L paslanmaz çelik kuponları birleştirmek için Cu-Ag-Ti (CuSil) ve Cu-Ag-In-Ti (InCuSil) lehimlerinin kullanımı üzerine yapılan karşılaştırmalı bir çalışmada gösterildiği gibi, faz ayrımı ve lehim³⁷ içindeki galvanik korozyon nedeniyle bağlantı performansı ve ömrü zarar görebilir³⁰. Şekil 5 , birlikte lokalize BSE SEM, EDS ve KPFM'nin gümüş bakımından zengin fazın bakır bakımından zengin faza ~ 60 mV kadar katodik (yani daha asil) olduğunu doğruladığı bir Cu-Ag-Ti lehimleme ekleminin temsili bir bölgesini göstermektedir; bu faz ayrımı ve VPD sonunda lehimin bakır bakımından zengin bölgelerinde mikrogalvanik korozyonun başlamasına yol açmıştır. Bununla birlikte, çevredeki 316L paslanmaz çelik kuponların ve titanyum (Ti) ara yüzey ıslatma tabakası^38'in , Volta'da her iki komşu lehimli alaşım fazına potansiyel olarak anodik olduğu gözlenmiştir. Böylece, paslanmaz çelik matris, teoride, lehimden daha reaktif (yani daha kolay oksitlenmiş) olacaktır. Bununla birlikte, galvanik bir korozyon senaryosunda, en kötü durum, büyük bir katotla temas halinde olan küçük bir anoda sahip olmaktır, çünkü daha büyük katodik yüzey alanı hızlı anodik çözünmeye neden olacaktır. Tersine, bir katodik lehim alaşımı ile birleştirilmiş anodik 316L paslanmaz çelik kuponları içeren bu senaryoda, daha büyük bir anot ve daha küçük bir katot kombinasyonu galvanik korozyon oranını yavaşlatmaya hizmet etmelidir.

İki fazlı üçlü Ti alaşımı + bor: KPFM ve SEM / EDS
6 at ile işlenmiş titanyum alaşımı. % alüminyum ve 4 at. % vanadyum (Ti-6Al-4V veya Ti64), yüksek mukavemet-ağırlık oranı ve mükemmel korozyon direnci ^39,40,41 nedeniyle çekici bir yapısal alaşımdır. Özellikle, Ti64, biyouyumluluğu nedeniyle biyomedikal implantlarda ve cihazlarda kullanım alanı bulmaktadır^42,43,44. Bununla birlikte, Ti64 kemikten daha sert olduğu için, eklem replasmanları için kullanıldığında kemik bozulmasına ve zayıf implant yapışmasına neden olabilir. ~0.02 çözünürlük sınırına sahip olan bor (B) ilaveleri. Ti64'teki % , Ti64'ün mekanik özelliklerini kemik^31'inkileri daha yakından taklit edecek şekilde ayarlamak için araştırılmıştır. Bununla birlikte, bu tür bor ilaveleri, özellikle eklem replasmanları gibi biyomedikal implantlarda olduğu gibi kan plazması ile uzun süreli temasa maruz kaldıklarında, alaşımın korozyona duyarlılığının artmasına neden olabilir. Şekil 6, bir Ti64 +% 0.43 B örneğinin birlikte lokalize KPFM, BSE SEM ve EDS haritalarını göstermektedir. Bor için doygunluk noktasının üzerinde görünen bor bakımından zengin TiB iğneleri (Şekil 6A ve Şekil 6D), çevredeki Al-rich Ti64 alfa (α) matrisinden (Şekil 6C) ve birbirine bağlı filamentli V-zengin Ti64 beta (β) fazından ayırt edilebilir; TiB iğneleri, β faz^31'den biraz daha yüksek (yani daha asil) bir Volta potansiyelinde (Şekil 6B'de daha parlak) görünmektedir. Şekil 7, KPFM'nin, iki tekniğin penetrasyon derinliği ve örnekleme hacmindeki farklılıklar nedeniyle SEM'den önemli ölçüde daha yüzeye duyarlı olduğu gerçeğini göstermektedir. Spesifik olarak, insan plazmasını taklit eden bir çözeltiye maruz kaldıktan sonra alaşım yüzeyinde birkaç nanometre kalınlığında pasifleştirici oksit oluşumu ve ardından gelen potansiyodinamik döngü (implant cihazlarının korozyon duyarlılığını belirlemek için ASTM F2129-15 standart test protokolü), BSE SEM görüntüsünde (Şekil 7A) ve EDS haritalarında (Şekil 7C) görünür kalan yüzey altı mikroyapısına rağmen nispeten düzgün bir yüzey potansiyelinin (Şekil 7B) ölçülmesiyle sonuçlanmıştır. ). Buna karşılık, Ti64 numunelerinin zorla korozyon koşullarına (yani, yüksek tuz konsantrasyonu ve aşırı anodik potansiyel) maruz bırakılması üzerine, düşük (% 0.04 B) ve yüksek (% 1.09 B) konsantrasyonlu bor eklenmiş numuneler için korozyon davranışındaki farklılıkları gözlemlemek için birlikte lokalize KPFM, BSE SEM ve EDS'nin kullanılması mümkün olmuştur (Şekil 8).

3D baskılı üçlü Ti alaşımı: KPFM ve SEM / EBSD
Metallerin ve metal alaşımlarının eklemeli üretimi (), daha karmaşık şekiller ve mikroyapı ve özellikler üzerinde kontrol ile parçaları daha ucuz ve daha hızlı üretme potansiyeline sahiptir⁴⁵. 'de kullanılan önde gelen malzemelerden biri, yukarıda açıklandığı gibi Ti64'tür. Ferforje Ti64'e benzer şekilde, Ti64 iki faz içerir, termodinamik olarak kararlı Al-zengin α fazı ve metastabil V-zengin β fazı, her faz bir dizi kristalografik yönelim sergiler. Yüzeyde hangi faz ve kristalografik yönelimlerin bulunduğuna bağlı olarak, basılan parçanın korozyon özellikleri etkilenecektir. Şekil 2, elektron ışını eritme tozu yatağı füzyonu ve ardından sıcak izostatik presleme (HIP) ³² ile üretilen Ti64 α'ün eş lokalize AFM / KPFM, SEM (hem SE hem de BSE) ve EBSD (hem β faz) görüntülerini sunmaktadır. EBSD tarafından ortaya çıkarılan farklı taneciklerin kristalografik oryantasyonu, hangi oryantasyonların Ti64'ün korozyon özelliklerini etkilemesinin muhtemel olduğunu belirlemek için KPFM VPD'lerle birlikte lokalize edilmiştir, böylece yapı işlemi parametreleri ideal olmayan yönelimleri veya fazları azaltmak için ayarlanabilir. KPFM tarafından elde edilen topografya (Şekil 2E) ve VPD (Şekil 2F), SEM (Şekil 2A,B) ve EBSD (Şekil 2C,D) haritalarındaki noktalı beyaz çizgilerle sınırlanan hafifçe döndürülmüş geniş kare alanı kaplar. Şekil 9, Şekil 2A-D'deki katı beyaz dikdörtgenler tarafından özetlenen alanı yakınlaştırır ve α α bir tane sınırından geçtikten sonra ölçülen VPD'nin iki tanenin göreceli kristalografik yönelimlerine bağlı olduğunu gösterir. Ek olarak, α β faz sınırları, farklı tane yöneliminin α α sınırlarına eşit veya daha büyük göreceli bir VPD sergiledi. Bu önemlidir, çünkü daha yüksek bir Volta potansiyel gradyanı, artan mikrogalvanik itici kuvvet nedeniyle teorik olarak daha yüksek tanecikler arası korozyon oranlarına neden olacaktır, bu da β taneciklerinin sayısını ve α çıtalarla temas noktalarını en aza indirme ihtiyacını düşündürmektedir.

Nükleer kaplama için Zr alaşımlarının kesitsel analizi: KPFM, SEM ve Raman
Zirkonyum (Zr) ve alaşımları, düşük nötron absorpsiyon kesitleri ve yüksek sıcaklık korozyon direnci nedeniyle nükleer uygulamalarda kaplama olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, "kopma fenomeni", hidrit kaynaklı gevrekleşme ve çeşitli pelet kaplama etkileşimleri de dahil olmak üzere çeşitli potansiyel bozunma mekanizmaları nedeniyle, zirkonyum ömrü büyük ölçüde kısaltılabilir ve bu da nükleer reaktör arızası riskine neden olabilir⁴⁶. Bu nedenle, zirkonyum alaşımı bozunma mekanizmaları, KPFM, SEM ve konfokal taramalı Raman mikroskopisinin (Raman spektrumuna dayanan kristal yapıdaki farklılıkları ortaya çıkarabilen) birlikte lokalizasyonu ile araştırılmıştır ⁴⁷. Burada zirkonyum oksit kristal yapısı (monoklinik ve tetragonal) ile bağıl Volta potansiyeli arasında bir korelasyon gözlenmiştir. Spesifik olarak, tercihen metal-oksit arayüzünün yakınında bulunan tetragonal bakımından zengin zirkonyum oksit (t-ZrO 2) (Şekil 10A-C ve Şekil 10E-G'nin sağ panellerindeki dikey kesikli çizgi ile gösterilir), ~ 600 mV daha asil kütle monoklinik bakımından zengin zirkonyum okside (m-ZrO ₂) kıyasla önemli ölçüde daha aktif (yani, oksitlenme / korozyona uğrama olasılığı daha yüksektir) bulunmuştur. ). Bu, VPD ve yüzde tetragonalite çizgisi kesitlerinde Şekil 10A-C'deki ZrO₂ / Zr arayüzü boyunca görülür. Ayrıca, t-ZrO₂ bölgesinin metal substrata göre de biraz aktif olduğu keşfedilmiştir (Şekil 10A), bu da zirkonyumun difüzyonla sınırlı oksidasyonunda bir başka adım olarak bir p-n bağlantı bölgesi ile sonuçlanmıştır.

KPFM ve tamamlayıcı karakterizasyon teknikleri ile birlikte lokalizasyonun yararlılığına dair daha fazla kanıt da bu çalışmada görülmektedir. Nominal olarak "saf" Zr metalinde bile, bazı eser demir safsızlıkları işlemden sonra mevcut kalır ve demir bakımından zengin ikincil faz parçacıkları (Fe bakımından zengin SPP'ler) ile sonuçlanır. Bu, KPFM ve tarama konfokal Raman spektral haritalaması yoluyla gözlemlenmiştir; burada Şekil 10E'de görülebilen parlak katodik parçacığa karşılık gelen göreceli Volta potansiyelindeki büyük artış, Raman spektrumundaki önemli bir değişiklikle ilişkilidir (Şekil 10F, G). Bu katodik parçacığın başlangıçta Fe bakımından zengin bir SPP olduğu varsayılıyordu, ancak EDS bu durumda demirin varlığının doğrulanmasını sağlayamadı (Şekil 10H). Bununla birlikte, Şekil 10'da sunulan veriler için önce KPFM, ardından Raman haritalaması ve son olarak SEM / EDS gerçekleştirilmiştir. Ne yazık ki, olay lazer gücüne bağlı olarak Raman haritalaması sırasında lazer ışını hasarı (SPP'lerin ablasyonu / çıkarılması dahil) mümkündür, bu da potansiyel olarak SPP'lerin sonraki EDS yoluyla tanımlanmasını imkansız hale getirmektedir. Raman uyarma lazeri olayının zararlı etkisi, sıralı karakterizasyon sürecinden Raman haritalaması çıkarılarak burada doğrulandı, bu da Fe bakımından zengin SPP'lerin başarılı bir şekilde tanımlanmasına ve bunlara karşılık gelen VPD'nin çevredeki Zr matrisine göre birlikte lokalize KPFM ve SEM / EDS (Şekil 11A, B'deki kırmızı daireler) ile tanımlanmasına yol açtı. ). Bu, bir kullanıcının birlikte lokalize karakterizasyon tekniklerini kullanma sırasının önemini vurgulamaktadır, çünkü bazı araçların yıkıcı olma veya yüzeyi etkileme olasılığı daha yüksektir. Özellikle, KPFM tahribatsız olsa da, KPFM'den önce Raman veya SEM / EDS analizi yapmak, ortaya çıkan Volta potansiyel ölçümlerini^{etkileyebilir 18,28}. Bu nedenle, KPFM'nin daha potansiyel olarak zararlı yüzeye duyarlı tekniklerle birlikte lokalize edildiğinde ilk önce yapılması şiddetle tavsiye edilir.

Şekil 4: KPFM ve BSE SEM'in birlikte lokalizasyonu. (A) İkili bir Mg-0.3Ge alaşımının üst üste bindirilmiş BSE SEM ve KPFM görüntüleri, (B) Mg₂ Ge ikincil fazının (daha parlak, daha asil) ve matrisin (daha koyu) göreceli potansiyellerini gösteren A'daki bindirilmiş KPFM Volta potansiyel haritasının yakınlaştırılması ve (C) B'deki kesikli çizgi bölgesine karşılık gelen Volta potansiyeli için çizgi tarama verileri matris ve Mg₂Ge sekonder faz arasındaki ~ 400 mV potansiyel farkını gösterir. Bu rakam Liu ve ^{ark.29'dan çoğaltılmıştır}. Ölçek çubukları = (A) 10 μm, (B) 5 μm. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: KPFM, BSE SEM ve EDS'nin birlikte lokalizasyonu. (A) Bir Cu-Ag-Ti (CuSil) lehimleme numunesinin BSE SEM görüntüsü ve (B) karşılık gelen eş-lokalize KPFM yüzey potansiyel görüntüsü. (C) titanyum (Ti) ıslatıcı katkı maddesi, (D) bakır (Cu) ve (E) gümüş (Ag) için üçlü alaşımın aynı bölgesinin EDS element haritaları da gösterilmiştir. Ölçek çubukları = 10 μm. Bu rakam Kvryan ve ^{ark.30'dan çoğaltılmıştır}. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; EDS = enerji dağıtıcı spektroskopi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: KPFM, BSE SEM ve EDS'nin modifiye edilmiş bir alaşımda birlikte lokalizasyonu. Ti-6Al-4V'nin birlikte lokalize (A) BSE SEM ve (B) KPFM görüntüleri, bor bakımından zengin iğnelerin oluşumunu gösteren% 0.43 B ile alaşımlı, (C) alüminyum (Al) ve (D) bor (B) EDS haritaları ile. SEM görüntüsündeki kırmızı kutu, KPFM taramasının konumunu gösterir. Ölçek çubukları = (A,C,D) 40 μm, (B) 20 μm. Bu rakam Davis et ^al.31'den uyarlanmıştır. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; EDS = enerji dağıtıcı spektroskopi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: KPFM'nin BSE SEM ve EDS'ye karşı yüzey pasivasyonu ve diferansiyel görüntüleme derinliği. ASTM F2129-15 test protokolüne tabi tutulan bir Ti-6Al-4V + %1,09 B numunesinin birlikte lokalize (A) BSE SEM ve (B) KPFM görüntüleri. İnce bir pasifleştirici tabakanın oluşumu, ASTM F2129-15 test protokolüne tabi tutulmayan numunelere kıyasla KPFM tarafından ölçülen daha düzgün bir yüzey potansiyeli ile sonuçlanmıştır (bkz. Şekil 6). Birlikte bulunan (A) BSE SEM ve (C) EDS haritaları (alüminyum, Al; vanadyum, V; bor, B), pasif filmin altındaki mikroyapının faz bileşimini ve belirgin korozyon saldırısının eksikliğini doğruladı. SEM görüntüsündeki kırmızı kutu, ilgili KPFM taramasının yaklaşık konumunu gösterir. Ölçek çubukları = (A) 40 μm, (C–E) 25 mm, (B) 20 μm. Bu rakam Davis ve ^{ark.31'den çoğaltılmıştır}. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; EDS = enerji dağıtıcı spektroskopi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: (A,B) AFM topografyası ve (C,D) BSE SEM SEM görüntülerinin (A,C,E) %0,04 B ve (B,D,F) %1,09 B Ti-6Al-4V numunelerinin karşılık gelen (E) alüminyum (Al) ve oksijen (O) ve (F) bor (B) ve oksijen (O) EDS haritaları ile birlikte tercihli korozyon kanıtı. (C,D) SEM görüntülerindeki kırmızı kutular, karşılık gelen AFM görüntülerinin (A,B) yaklaşık konumunu gösterir. (A,B) AFM topografya görüntülerinde görülebilen çukurlaşma, korozyonun, daha yüksek Volta potansiyeline rağmen, vanadyum bakımından zengin metastabil β fazında tercihen meydana geldiğini göstermektedir. (B,D,F) Ayrıca, daha yüksek bor içerikli numunenin önemli ölçüde daha az (ve daha sığ) çukurlaşma sergilediğini unutmayın. Ölçek çubukları = (A,B) 20 μm, (E–H) 25 mm, (C,D) 40 μm. Bu rakam Davis ve ^{ark.31'den çoğaltılmıştır}. Kısaltmalar: AFM = atomik kuvvet mikroskobu; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; EDS = enerji dağıtıcı spektroskopi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9: KPFM, BSE SEM ve EBSD'nin birlikte lokalizasyonu. Şekil 2'deki katı dikdörtgen tarafından belirlenen alanın ayrıntılı SEM ve KPFM analizi. Birlikte konumlandırılarak α çıtaları karakterize etme tekniği: (A) BSE görüntüleme, (B) AFM yükseklik sensörü (topografya), (C) EBSD (beyaz çizgiler α β faz sınırlarını gösterir, siyah çizgiler tanımlanmış tane sınırlarını belirtir) ve (D) KPFM Volta potansiyeli. A-D arasındaki beyaz oklarla gösterilen hiperharitalar arasındaki çizgi taramalarının sonuçları, (E) EBSD ve (F) KPFM Volta potansiyeli için gösterilir. (G) Volta potansiyelindeki göreli farklılıkların özetleri üç tür ölçüm için gösterilir: i) tek bir α çıta içinde, ii) benzer tane yönelimli α α sınırları boyunca ve iii) farklı tane yöneliminin α-α sınırları boyunca. (H) Farklı önceki-β yönelimler için Volta potansiyeli aralıkları (gösterilen bir standart sapma). Ölçek çubukları = (A–D) 5 μm. Bu rakam Benzing ve ^{ark.32'den çoğaltılmıştır}. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; AFM = atomik kuvvet mikroskobu; EBSD = elektron geri saçılan kırınım. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 10: KPFM, Raman mikroskopisi, BSE SEM ve EDS'nin birlikte lokalizasyonu. KPFM, Raman mikroskobu ve SEM / EDS'nin oksitlenmiş ve kesitli (A-D) Zr-2.65Nb alaşımı ve (E-H) saf Zr için birlikte lokalizasyonu. Yukarıdan aşağıya: (A,E) KPFM Volta potansiyel haritaları (solda) karşılık gelen temsili VPD çizgi taramaları (sağda), (B,F) yüzde tetragonalite ve (C,G) monoklinik ZrO2 tepe konum haritaları (basınç gerilmesinin göstergesi) ile Raman haritaları ile ilgili temsili çizgi taramaları ile belirlenir ve (D,H) ilgili EDS haritaları ve temsili çizgi taramaları ile SEM görüntüleri. Her durumda, çizgi taramalarının konumları, ilgili örnek görüntülerde beyaz oklarla gösterilir. Ölçek çubukları = (A) 10 μm, (D) 50 μm, (E) 6 μm, (H) 20 μm. Bu şekil Efaw et ^al.47'den uyarlanmıştır. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; EDS = enerji dağıtıcı spektroskopi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 11: Raman mikroskobu olmadan KPFM, BSE SEM ve EDS'nin birlikte lokalizasyonu. (A) KPFM yüksekliği (üstte) ve Volta potansiyel (altta) haritalarının (B) SEM (üstte) ve EDS element analizi (altta) ile birlikte lokalizasyonu, oksitlenmiş saf Zr (kopma öncesi) kesitli bir numune üzerinde. KPFM'nin gerçekleştirildiği alan, sağ üstteki SEM görüntüsündeki kesikli çizgi turuncu dikdörtgeni ile gösterilirken, KPFM Volta potansiyeli ve EDS Fe bolluk haritalarındaki kırmızı daireler, yüksek VPD bölgeleri ile Fe bakımından zengin parçacıklar arasındaki korelasyonu gösterir. Ölçek çubukları = (A) 8 μm, (B) 25 μm. Bu rakam Efaw ve ^{ark.47'den çoğaltılmıştır}. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; SEM = taramalı elektron mikroskobu; BSE = geri saçılan elektron; EDS = enerji dağıtıcı spektroskopi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Malzeme: Kelvin probu kuvvet mikroskobu için standart çalışma prosedürü. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Tartışmalar

KPFM, yüzey topografyasını ve VPD'leri nano ölçekli çözünürlükle ölçtüğünden, yüksek kaliteli KPFM görüntüleri elde etmek için numune hazırlama çok önemlidir. Protokol bölümünde tartışılan ince derecelendirilmiş parlatma adımları, metal alaşımları için yüksek kaliteli bir nihai yüzey kalitesi elde etmek için en uygun başlangıç noktasıdır. Ek olarak, her parlatma adımından sonra yüzeyin optik mikroskopla incelenmesi, yüzey kalitesinin iyileştirilmesini (örneğin, görünür çiziklerin sayısının, boyutunun ve derinliğinin azaltılması) doğrulayabilirken, titreşimli bir parlatıcı ile bitirmek en iyi nihai yüzey kalitesini sunacaktır. Son olarak, parlatma bileşiklerini ve temizleme yöntemlerini seçerken numune ve montaj maddesi ile çözücü uyumluluğu göz önünde bulundurulmalıdır. Dikkatli numune hazırlamaya ek olarak, farklı karakterizasyon tekniklerinin birlikte lokalize edilmesi, menşe konumunu ve XY koordinat eksenleri yönlerini (yani, numune oryantasyonu/rotasyonu) ^6,7,32 belirtmek için ortak bir referansın (yani^, referans ^{işareti) kullanılmasını} gerektirir. Bunu başarmak için çeşitli olası yöntemler vardır. En basit yöntem, yüzeyde gözle veya optik mikroskop yardımıyla görülebilen farklı, önceden var olan özellikleri tanımlamaktır. Bu yöntemin çalışması için, özelliğin iyi tanımlanmış, kolayca tanımlanabilir bir başlangıç noktasına (örneğin, bir köşe veya çıkıntı) sahip olması ve net bir yön sergilemesi gerekir. Burada açıklanan CuSil lehim örneği, bu gereksinimleri karşılayan mikron ölçekli özellikleri göstererek, birlikte lokalizasyonu basitleştirdi (Şekil 1 ve Şekil 5) ³⁰. Ayrıca, iki fazdan ayrılmış bölgenin ayırt edici görünür renkleri, bileşimleri hakkında fikir verdi (yani, bakır ve gümüş bakımından zengin). Belki de referans işaretleri oluşturmak için en iyi, en tekrarlanabilir yöntem nanogirintidir, ancak bu bağımsız bir nanoindenter veya AFM entegre nanoindenter sistemine erişim gerektirir. Nanogirintiler çeşitli şekillerde düzenlenebilir, ancak en belirgin olanı, Ti64 örneğinde gösterildiği gibi (Şekil 2) ^32'de gösterildiği gibi, orijin olarak bir girinti ve ortogonal eksenler boyunca hizalanmış iki ek girinti kullanmaktır. Son olarak, referans işaretleri yüzeyi çizerek veya işaretleyerek de oluşturulabilir (örneğin, bir elmas yazıcı, tıraş bıçağı veya mikromanipülatör prob ucu ile; veya silinmez mürekkep veya kalıcı işaretleyici ile). Çizik referansları, farklı yüzey özellikleri ve / veya bir nanoindenter mevcut olmadığında faydalı olabilir; Bununla birlikte, bu yöntemler özellikle korozyon özelliklerini incelerken sorunlara neden olabilir (örneğin, bir çizik yüzeye zarar verebilir ve korozyona duyarlı olmasına neden olabilir). Bir çizik referansı kullanılıyorsa, çiziğin deneysel sonuçları etkilememesini sağlamak için çiziği incelenen yüzeyden biraz daha uzağa yerleştirmelisiniz. Benzer şekilde, mürekkepten kaynaklanan kirlenme korozyon performansını etkileyebilir ve bu nedenle, korozyon dışındaki malzeme özelliklerini incelerken bu yöntemler daha iyi kullanılır.

KPFM'de VPD'nin nicelleştirilmesi, hem AC yanlılığının hem de DC nulling potansiyelinin uygulanmasına bağlı olduğundan, numune yüzeyinden AFM mandrene giden yol elektriksel olarak sürekli olmalıdır. Bu nedenle, numune bir şekilde aynadan elektriksel olarak yalıtılmışsa (örneğin, bir arka taraf oksit kaplamasına sahiptir, iletken olmayan bir substrat üzerinde biriktirilir veya epoksi ile kaplanırsa), o zaman bir bağlantı yapılması gerekecektir. Bir çözüm, numunenin üst yüzeyinden aynaya bir çizgi çizmek için gümüş macun kullanmaktır ( Malzeme Tablosuna bakınız), böylece çizginin kırılmamasını ve görüntülemeden önce tamamen kurumasını sağlar. Benzer bir elektrik bağlantısı oluşturmak için bakır bant veya iletken karbon bant da kullanılabilir. Elektrik bağlantısını kurmak için kullanılan yöntemden bağımsız olarak, KPFM görüntülemeden önce ayna-numune sürekliliği bir multimetre ile kontrol edilmelidir.

Metal bir yüzeyin oksidasyonu veya kontaminasyonu, ölçülen VPD'lerde ciddi değişikliklere yol açar. numunenin temas ettiği oksijen miktarını en aza indirmek, yüzey pasivasyonunu veya bozulmasını yavaşlatabilir. Oksidasyonu önlemenin bir yolu, AFM'yi inert bir atmosfer eldiven kutusuna yerleştirmektir. Oksijen bakımından zengin ortam ortamını argon veya azot gibi inert bir gazla değiştirerek, numune yüzeyi uzun bir süre boyunca nispeten bozulmamış bir durumda tutulabilir (Şekil 3). Bir eldiven kutusu kullanmanın ek bir yararı, çözünmüş kirleticilere neden olabilecek, korozyonu veya pasivasyonu hızlandırabilecek ve artan kaldırma yüksekliklerine duyulan ihtiyaç nedeniyle çözünürlüğü düşürebilecek yüzey suyunun ortadan kaldırılmasıdır (aşağıya bakınız). Ek olarak, ölçülen VPD'nin^15,23 bağıl neme duyarlı olduğu gösterilmiştir ve bu nedenle, KPFM deneyleri ortam koşulları altında gerçekleştirilirse bağıl nemi izlemek (ve ideal olarak raporlamak) önemlidir.

Kullanılan AFM'ye ( Malzeme Tablosuna bakınız) ve kullanılan KPFM uygulama moduna bağlı olarak, mevcut görüntüleme parametreleri ve isimlendirme değişecektir. Bununla birlikte, bazı genel kurallar formüle edilebilir. KPFM, AFM topografyasını VPD ölçümleriyle birleştirir. Bu nedenle, iyi bir topografya görüntüsü önemli bir ilk adımdır, bir ayar noktası uç-numune kuvvetini (ve dolayısıyla uç aşınması ve numune hasarı potansiyelini) en aza indirmek için seçilirken, topografyanın yüksek doğrulukta izlenmesini sürdürürken (kazançların ve ayar noktasının etkileşimini optimize ederek). Başka bir deyişle, topografya görüntüleme modundan bağımsız olarak, kullanıcı numuneye veya proba zarar vermeden (özellikle metal kaplıysa) yüzeyle yeterli etkileşim arasında bir denge belirlemelidir. Ek olarak, numune kirliyse veya iyi cilalanmamışsa, prob ucu döküntülerle temas edebilir ve bu da kırık bir uç veya uç artefaktlarına neden olabilir. KPFM Volta potansiyel kanalında topografik eserlerden kaçınmak da zorunludur, bu da burada açıklandığı gibi çift geçişli KPFM modunda daha kolay elde edilir. Optimum KPFM görüntüleme, KPFM'nin yanal çözünürlüğü artan kaldırma yüksekliği ile azaldığından, daha düşük ve daha yüksek kaldırma yükseklikleri arasında bir denge gerektirir, ancak kısa menzilli van der Waals kuvvetleri (AFM topografya ölçümlerini destekleyen uç-numune etkileşimlerinden sorumludur), daha düşük kaldırma yüksekliklerinde uzun menzilli elektrostatik etkileşimin ölçümünü etkileyen dengesizlikler üretebilir. Yukarıda açıklandığı gibi inert bir atmosfer eldiven kutusunda çalışmak bu konuda faydalı olabilir, çünkü yüzey suyu tabakasının ortadan kaldırılması, daha iyi geri bildirim için uç-numune etkileşimine katkısını ortadan kaldırır, böylece sabit (esasen sıfır) nem ve azaltılmış şarj taraması nedeniyle daha fazla tekrarlanabilir VPD'nin ek yararı ile daha düşük KPFM kaldırma yükseklikleri ve gelişmiş uzamsal çözünürlük sağlar. Benzer şekilde, azaltılmış yüzey pürüzlülüğü (yani daha iyi parlatma) daha düşük kaldırma yükseklikleri sağlayabilir ve gelişmiş KPFM çözünürlüğü ile sonuçlanabilir, çünkü topografik eserlerden kaçınmak için iyi bir kural, kaldırma yüksekliğini yaklaşık olarak tarama bölgesinde bulunan en yüksek en boy oranlı yüzey özelliklerinin yüksekliğine eşit olarak ayarlamaktır. Optimum kaldırma yüksekliğinin belirlenmesinde devreye giren bir diğer faktör, kaldırma modu geçişi sırasında prob salınım genliğidir - daha büyük genlik, küçük VPD'lere daha fazla hassasiyet kazandırır, ancak topografik eserlerden kaçınmak veya yüzeye çarpmaktan kaçınmak için daha büyük kaldırma yükseklikleri gerektirme pahasına (genellikle asansör tarama aşamasında ani sivri uçlar olarak görülür). Yine, yüzey ne kadar pürüzsüz olursa, belirli bir salınım genliği için elde edilebilecek kaldırma yüksekliği o kadar düşük olur, böylece hem uzamsal çözünürlüğü hem de Volta'nın potansiyel hassasiyetini iyileştirir-iyi numune hazırlama anahtardır. Son olarak, bir KPFM görüntüsü yakalarken, daha büyük bir tarama boyutunun daha fazla numune kapsama alanına izin verdiği, ancak algılama elektroniği tarafından Volta potansiyellerinin doğru bir şekilde ölçülmesini sağlamak için yavaş tarama hızları gerektiğinden, daha uzun tarama süresi pahasına olduğu akılda tutulmalıdır.

İletken bir malzemenin yüzeyinde gözlenen mikroyapıların göreceli asaleti hakkında çıkarım, KPFM kullanılarak ölçülen VPD'lerden yapılabilir (örneğin, mikrogalvanik çiftler, taneler arası korozyon, çukurlaşma korozyonu). Bununla birlikte, literatürde bildirilen malzemelerin mutlak Volta potansiyelleri^18,24,27 arasında büyük farklılıklar ^{göstermektedir}. Bu tekrarlanabilirlik eksikliği, farklı malzeme sistemleri ve korozyon davranışları hakkında yanlış yorumlara neden olmuştur^23,25. Sonuç olarak, mutlak Volta potansiyellerinin (yani iş fonksiyonlarının) belirlenmesi veya laboratuvarlar, problar veya günler arasında ölçülen VPD'lerin karşılaştırılması için, KPFM probunun çalışma fonksiyonunun inert bir malzemeye (örneğin, altın) göre kalibrasyonu esastır^25,48. Bazı yazarlar tarafından yapılan bir 2019 araştırması, farklı KPFM problarını inceledi ve ortaya çıkan ölçülen VPD'nin bu problar ile bir alüminyum-silikon-altın (Al-Si-Au) standardı arasındaki değişkenliğini gösterdi. Aynı nominal malzeme ve tasarımın bireysel probları için iş fonksiyonundaki farklılıklar bile gözlenmiştir (Şekil 12)²⁵. Konseptin bir kanıtı olarak, daha önce atıfta bulunulan bir CuSil lehimi ile bir araya getirilen 316L paslanmaz çelik, mutlak VPD'leri veya iş fonksiyonlarını ölçmek için örnek bir malzeme olarak kullanılmıştır. Kvryan ve ^{ark.30'un 2016} çalışmalarından elde edilen veriler, çeşitli problarla aynı numunede elde edilen KPFM VPD'lerle karşılaştırıldı ve iç braze Volta potansiyellerini analiz etmek için kullanıldı. Al-Si-Au standardının Au kısmını referans çalışma fonksiyonu olarak kullanarak prob çalışma fonksiyonunu kalibre ederek, lehimleme fazlarının ölçülen VPD'sinin tekrarlanabilirliği, birkaç yüz milivolttan (Şekil 12A) onlarca milivolta (Şekil 12C) kadar bir büyüklük sırasına göre geliştirilmiştir. Kalibrasyonda daha fazla iyileştirme, inert referansın çalışma fonksiyonunu doğrudan ölçerek (örneğin, fotoemisyon spektroskopisi veya Auger elektron spektroskopisi yoluyla) veya yoğunluk fonksiyonel teorisi^25,48 kullanılarak iş fonksiyonunun hesaplanmasıyla gerçekleştirilebilir.

Şekil 12: Prob kalibrasyonunun KPFM Volta potansiyel tekrarlanabilirliği üzerindeki etkisi . (A) Üç farklı PFQNE-AL probuna göre elde edilen CuSil lehim numunesindeki bakır bakımından zengin ve gümüş bakımından zengin bölgeler için VPD'ler. (B) Sol ordinat ekseninde sunulan Al-Si-Au standardının altın kısmına göre aynı üç prob için VPD'ler, yoğunluk fonksiyonel teorisinden hesaplandığı gibi, sağ ordinat ekseninde sunulan değiştirilmiş PFQNE-AL iş fonksiyonu değerleri ile sonuçlanır. (C) Ölçülen VPD'lerin lehimleme numunesinin görüntülenmesinden önce görüntülenen Al-Si-Au standardının altınına göre ölçeklendirilmesiyle elde edilen bakır bakımından zengin ve gümüş bakımından zengin bölgelerin mutlak VPD'leri. Sol ordinat ekseni (C panelinin üstündeki denklem kullanılarak hesaplanır), lehimleme numune fazları ile altın standart arasındaki VPD'yi gösterir. Sağ ordinat ekseni (panel C'nin altındaki denklem kullanılarak hesaplanır), panel B'de hesaplanan probun değiştirilmiş iş fonksiyonuna bağlı olarak her faz için sonuçta ortaya çıkan değiştirilmiş iş fonksiyonunu sunar. Bu rakam Efaw ve ^ark.25'ten çoğaltılmıştır. Kısaltmalar: KPFM = Kelvin prob kuvveti mikroskopisi; VPD = Volta potansiyel farkı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sonuç olarak, KPFM Volta potansiyel haritalarının SE görüntüleri, BSE görüntüleri, EDS elemental kompozisyon haritaları ve EBSD ters kutup rakamları dahil olmak üzere gelişmiş SEM teknikleriyle birlikte lokalizasyonu, yapı-özellik-performans ilişkileri hakkında fikir verebilir. Benzer şekilde, taramalı konfokal Raman mikroskobu gibi diğer nano-mikro ölçekli karakterizasyon teknikleri de daha fazla yapısal içgörü sağlamak için birlikte lokalize edilebilir. Bununla birlikte, çoklu karakterizasyon araçlarını birlikte lokalize ederken, hem yüzey pürüzlülüğünü ve döküntülerini en aza indirmenin yanı sıra numune görüntüleme kökenini ve eksenlerini (yani, oryantasyon veya rotasyon) belirtmek için güvenilir referans belirteçlerinin tanımlanması veya oluşturulması da dahil olmak üzere numune hazırlama çok önemlidir. Ek olarak, belirli bir karakterizasyon tekniğinin sonraki ölçümler üzerindeki potansiyel etkisi dikkate alınmalıdır ve bu nedenle, KPFM'nin (hem tahribatsız hem de yüzey kontaminasyonuna karşı oldukça hassas olan) diğer karakterizasyon yöntemlerinden önce yapılması tercih edilir. Son olarak, yüzey kirleticilerini en aza indirmek, test ortamının kafa karıştırıcı etkilerini (örneğin, ortam nemi) dikkate almak ve izlemek (veya daha iyisi, ortadan kaldırmak) ve literatürde bildirilen KPFM Volta potansiyel ölçümlerinin güvenilir, anlamlı bir şekilde karşılaştırılmasını sağlamak için KPFM probunun çalışma işlevini uygun şekilde kalibre etmek önemlidir. Bu amaçla, AFM sistemini barındırmak için inert bir atmosfer eldiven kutusunun kullanılması (veya mevcut değilse, başka bir nem kontrolü / düşük nemli ortam biçimi kullanılması) ve prob kalibrasyonu için iyi karakterize edilmiş bir çalışma fonksiyonuna sahip bir altın veya başka bir inert referans malzeme standardı kullanılması önerilir.

Malzemeler

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.