केल्विन प्रोब फोर्स माइक्रोस्कोपी (केपीएफएम) सतह स्थलाकृति और सतह क्षमता में अंतर को मापता है, जबकि स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और संबंधित स्पेक्ट्रोस्कोपी सतह आकृति विज्ञान, संरचना, क्रिस्टलीयता और क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास को स्पष्ट कर सकते हैं। तदनुसार, केपीएफएम के साथ एसईएम का सह-स्थानीयकरण संक्षारण पर नैनोस्केल संरचना और सतह संरचना के प्रभावों में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकता है।
केल्विन प्रोब फोर्स माइक्रोस्कोपी (केपीएफएम), जिसे कभी-कभी सतह क्षमता माइक्रोस्कोपी के रूप में जाना जाता है, आदरणीय स्कैनिंग केल्विन जांच का नैनोस्केल संस्करण है, जो दोनों एक ऑसिलेटिंग प्रोब टिप और एक नमूना सतह के बीच वोल्टा संभावित अंतर (वीपीडी) को मापते हैं। एक नमूना सतह पर एक प्रवाहकीय केपीएफएम जांच को स्कैन करके, सतह स्थलाकृति और क्षमता में नैनोस्केल भिन्नताओं को मैप किया जा सकता है, संभावित एनोडिक और कैथोडिक क्षेत्रों की पहचान की जा सकती है, साथ ही गैल्वेनिक जंग के लिए अंतर्निहित सामग्री ड्राइविंग बल को निर्धारित किया जा सकता है।
उन्नत स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) तकनीकों के साथ केपीएफएम वोल्टा संभावित मानचित्रों का सह-स्थानीयकरण, जिसमें बैक बिखरे इलेक्ट्रॉन (बीएसई) चित्र, ऊर्जा फैलाने वाले स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) मौलिक संरचना मानचित्र, और इलेक्ट्रॉन बैकस्कैटरिंग विवर्तन (ईबीएसडी) व्युत्क्रम ध्रुव आंकड़े संरचना-संपत्ति-प्रदर्शन संबंधों में और अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकते हैं। यहां, तकनीकी रुचि के मिश्र धातुओं की एक विस्तृत विविधता पर एसईएम के साथ केपीएफएम को सह-स्थानीयकृत करने वाले कई अध्ययनों के परिणाम प्रस्तुत किए गए हैं, जो संक्षारण दीक्षा और प्रसार को स्पष्ट करने के लिए नैनोस्केल पर इन तकनीकों के संयोजन की उपयोगिता का प्रदर्शन करते हैं।
इस तरह की जांच में विचार करने के लिए महत्वपूर्ण बिंदुओं और संभावित नुकसानों पर भी प्रकाश डाला गया है: विशेष रूप से, जांच अंशांकन और परीक्षण वातावरण और नमूना सतह के मापा वीपीडी पर संभावित भ्रामक प्रभाव, जिसमें परिवेश आर्द्रता (यानी, अधिशोषित पानी), सतह प्रतिक्रियाएं / ऑक्सीकरण, और पॉलिशिंग मलबे या अन्य दूषित पदार्थ शामिल हैं। इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी-आधारित तकनीकों से परे आगे संरचनात्मक अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए सह-स्थानीयकरण विधि की सामान्य प्रयोज्यता और उपयोगिता को प्रदर्शित करने के लिए एक तीसरी तकनीक, कॉन्फोकल रमन माइक्रोस्कोपी को स्कैन करने का एक उदाहरण प्रदान किया गया है।
सामग्री का सूक्ष्म लक्षण वर्णन नई सामग्रियों को समझने और विकसित करने के लिए मौलिक रूप से महत्वपूर्ण है। कई माइक्रोस्कोपी विधियां स्थलाकृति, लोच, तनाव, विद्युत और तापीय चालकता, सतह क्षमता, मौलिक संरचना और क्रिस्टल अभिविन्यास सहित भौतिक सतहों और उनके गुणों के नक्शे प्रदान करती हैं। हालांकि, एक माइक्रोस्कोपी पद्धति द्वारा प्रदान की गई जानकारी अक्सर गुणों के संग्रह को पूरी तरह से समझने के लिए अपर्याप्त होती है जो रुचि के भौतिक व्यवहार में योगदान दे सकती है। कुछ मामलों में, उन्नत माइक्रोस्कोप का निर्माण संयुक्त लक्षण वर्णन क्षमताओं के साथ किया गया है, जैसे कि एक उलटा ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप प्लेटफॉर्म जो एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) को शामिल करता है या कई स्कैनिंग जांच तौर-तरीकों (जैसे, केल्विन जांच बल माइक्रोस्कोपी [केपीएफएम] या इंटरमॉड्यूलेशन इलेक्ट्रोस्टैटिक फोर्स माइक्रोस्कोपी [आईएमईएफएम1], सतह क्षमता माप, और चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी [एमएफएम]) 2,3,4, 5 एक ही एएफएम पर एक नमूने को चिह्नित करने के लिए। अधिक आम तौर पर, कोई संरचना-संपत्ति सहसंबंध 6,7 प्राप्त करने के लिए दो अलग-अलग माइक्रोस्कोप से जानकारी को संयोजित करना चाहता है। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन और रमन-आधारित माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ स्कैनिंग केल्विन जांच बल माइक्रोस्कोपी का सह-स्थानीयकरण यहां एक विशिष्ट अनुप्रयोग उदाहरण के माध्यम से दो या दो से अधिक अलग-अलग माइक्रोस्कोप से प्राप्त जानकारी को सहसंबंधित करने की प्रक्रिया को चित्रित करने के लिए प्रस्तुत किया गया है, अर्थात्, संक्षारण व्यवहार को समझने के लिए धातु मिश्र धातुओं के बहु-मोडल लक्षण वर्णन।
संक्षारण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा सामग्री अपने पर्यावरण के साथ रासायनिक और विद्युत रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करतीहै। इलेक्ट्रोकेमिकल संक्षारण एक सहज (यानी, थर्मोडायनामिक रूप से अनुकूल, मुक्त ऊर्जा में शुद्ध कमी से प्रेरित) प्रक्रिया है जिसमें इलेक्ट्रॉन और चार्ज ट्रांसफर शामिल है जो इलेक्ट्रोलाइट की उपस्थिति में एनोड और कैथोड के बीच होता है। जब संक्षारण एक धातु या मिश्र धातु की सतह पर होता है, तो एनोडिक और कैथोडिक क्षेत्र माइक्रो-गैल्वेनिक संक्षारण 9 नामक प्रक्रिया में सूक्ष्म-संरचनात्मक विशेषताओं की संरचना में भिन्नताके आधार पर विकसित होते हैं। सह-स्थानीयकृत, नैनोस्केल लक्षण वर्णन तकनीकों के उपयोग के माध्यम से, यहां वर्णित विधियां मिश्र धातु माइक्रोस्ट्रक्चरल विशेषताओं की एक विस्तृत विविधता के बीच संभावित माइक्रो-गैल्वेनिक जोड़ों की पहचान करने के लिए एक प्रयोगात्मक मार्ग प्रदान करती हैं, जो संक्षारण शमन और नई सामग्रियों के विकास के लिए संभावित सहायक अंतर्दृष्टि प्रदान करती हैं। इन प्रयोगों के परिणाम यह निर्धारित कर सकते हैं कि मिश्र धातु की सतह पर कौन सी सूक्ष्म-संरचनात्मक विशेषताएं सक्रिय संक्षारण के दौरान स्थानीय एनोड साइटों (यानी, ऑक्सीकरण की साइटों) या कैथोड (यानी, कमी की साइटों) के रूप में काम करने की संभावना है, साथ ही संक्षारण दीक्षा और प्रतिक्रियाओं की नैनोस्केल विशेषताओं में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करती हैं।
केपीएफएम एक एएफएम-आधारित स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी (एसपीएम) लक्षण वर्णन तकनीक हैजो क्रमशः 10 नैनोमीटर और मिलीवोल्ट के क्रम में संकल्प के साथ एक नमूना सतह के एक साथ (या लाइन-दर-लाइन अनुक्रमिक) स्थलाकृति और वोल्टा संभावित अंतर (वीपीडी) मानचित्र उत्पन्न कर सकती है। इसे पूरा करने के लिए, केपीएफएम नैनोस्केल टिप के साथ एक प्रवाहकीय एएफएम जांच का उपयोग करता है। आमतौर पर, जांच पहले नमूना सतह में स्थलाकृतिक भिन्नताओं को ट्रैक करती है, फिर जांच और नमूने के बीच वीपीडी को मापने के लिए स्थलाकृति रेखा को फिर से खींचने से पहले नमूना सतह के ऊपर एक उपयोगकर्ता-परिभाषित ऊंचाई तक उठाती है (यानी, नमूना सतह की सापेक्ष वोल्टा क्षमता)। यद्यपि केपीएफएम मापों को व्यावहारिक रूप से लागू करने के कई तरीके हैं, मौलिक रूप से, वीपीडी का निर्धारण एक साथ एसी पूर्वाग्रह (प्रस्तुत कार्यान्वयन में, जांच के लिए) और एक चर डीसी पूर्वाग्रह (प्रस्तुत कार्यान्वयन में, नमूने में) दोनों को लागू करके किया जाता है ताकि टिप-नमूना संभावित अंतर को शून्य किया जा सके जैसा कि लागू एसी पूर्वाग्रह आवृत्ति (या इसके हेटेरोडाइन-प्रवर्धित योग और अंतर आवृत्तियों) पर जांच के दोलन को शून्य करके इंगित किया गया है। जांच की प्राकृतिक यांत्रिक अनुनाद आवृत्ति के दोनों ओर) 11. कार्यान्वयन विधि के बावजूद, केपीएफएम एक धातु की सतह12 में सहसंबद्ध उच्च पार्श्व स्थानिक रिज़ॉल्यूशन स्थलाकृति और वीपीडी मानचित्र ों का उत्पादन करता है।
केपीएफएम के माध्यम से मापा गया वीपीडी सीधे नमूने और जांच के बीच कार्य समारोह में अंतर से संबंधित है, और इसके अलावा, समाधान 13,14,15 में इलेक्ट्रोड क्षमता के साथ वीपीडी (आम तौर पर) रुझान। इस संबंध का उपयोग वीपीडी के आधार पर सूक्ष्म-संरचनात्मक विशेषताओं के अपेक्षित (स्थानीय) इलेक्ट्रोड व्यवहार को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है और कई धातु मिश्र धातु संक्षारकों 15,16,17,18,19,20,21,22 के लिए खोजा गया है . इसके अतिरिक्त, मापा गया वीपीडी स्थानीय संरचना, सतह परतों और अनाज / क्रिस्टल / दोष संरचना के प्रति संवेदनशील है, और इसलिए, उन विशेषताओं का नैनोस्केल स्पष्टीकरण प्रदान करता है जो धातु की सतह पर संक्षारण प्रतिक्रियाओं को शुरू करने और चलाने की उम्मीद करते हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि वीपीडी (ए) (गैर-मापनीय) सतह क्षमता (3) से संबंधित है, लेकिन इससे अलग है, जैसा कि साहित्य13,14 में अधिक विस्तार से वर्णित है, जिसमें सहायक आरेख और सही इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री शब्दावली23 की सटीक परिभाषाएं शामिल हैं। संक्षारण अध्ययन के लिए केपीएफएम के आवेदन में हालिया प्रगति ने नमूना तैयार करने, माप मापदंडों, जांच प्रकार और बाहरी वातावरण24,25,26,27 के प्रभाव पर सावधानीपूर्वक विचार के माध्यम से अधिग्रहित डेटा की गुणवत्ता और पुनरावृत्ति में काफी वृद्धि की है।
केपीएफएम का एक दोष यह है कि, जबकि यह सतह वीपीडी का एक नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन मैप उत्पन्न करता है, यह संरचना के बारे में कोई प्रत्यक्ष जानकारी प्रदान नहीं करता है, और, इस प्रकार, मौलिक संरचना में अंतर के लिए वीपीडी में भिन्नताओं का सहसंबंध पूरक लक्षण वर्णन तकनीकों के साथ सह-स्थानीयकरण द्वारा प्रदान किया जाना चाहिए। एसईएम, ऊर्जा फैलाने वाली स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस), इलेक्ट्रॉन बैकस्कैटरिंग विवर्तन (ईबीएसडी), और / या रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ केपीएफएम को सह-स्थानीयकृत करके, ऐसी रचनात्मक और / या संरचनात्मक जानकारी निर्धारित की जा सकती है। हालांकि, इमेजिंग के चरम आवर्धन, दृश्य और संकल्प के क्षेत्र में अंतर और लक्षण वर्णन के दौरान नमूना इंटरैक्शन के कारण नैनोस्केल तकनीकों का सह-स्थानीयकरण मुश्किल हो सकताहै। विभिन्न उपकरणों पर एक नमूने के एक ही क्षेत्र की नैनो-टू-माइक्रोस्केल छवियों को प्राप्त करने के लिए उच्च परिशुद्धता और सावधानीपूर्वक योजना की आवश्यकता होती है ताकि तकनीकों को सह-स्थानीयकृत किया जा सके और अनुक्रमिक लक्षण वर्णन18,28 के दौरान संभावित क्रॉस-संदूषण के कारण कलाकृतियों को कम किया जा सके।
इस लेख का उद्देश्य केपीएफएम और एसईएम इमेजिंग के सह-स्थानीयकरण के लिए एक व्यवस्थित विधि को परिभाषित करना है, जिनमें से उत्तरार्द्ध को ईडीएस, ईबीएसडी या रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसी अन्य लक्षण वर्णन तकनीकों द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। लक्षण वर्णन चरणों के उचित क्रम, केपीएफएम संकल्प और मापा वीपीडी, केपीएफएम जांच अंशांकन, और विभिन्न रणनीतियों को समझना आवश्यक है जिन्हें सफलतापूर्वक एसईएम या अन्य उन्नत माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीकों को केपीएफएम के साथ सह-स्थानीयकरण करने के लिए नियोजित किया जा सकता है। तदनुसार, केपीएफएम के साथ एसईएम के सह-स्थानीयकरण के लिए एक चरण-दर-चरण सामान्यीकृत प्रक्रिया प्रदान की जाती है, जिसके बाद सार्थक परिणाम प्राप्त करने के लिए सहायक युक्तियों और चालों के साथ-साथ इस तरह के सह-स्थानीयकरण के अनुकरणीय कार्य होते हैं। अधिक आम तौर पर, यहां वर्णित प्रक्रिया को विभिन्न प्रकार की सामग्री प्रणालियों 6,7,29,30,31,32 में उपयोगी संरचना-संपत्ति संबंधों को प्राप्त करने के लिए केपीएफएम और अन्य एएफएम मोड के साथ अन्य माइक्रोस्कोपी तौर-तरीकों से प्राप्त छवियों / संपत्ति मानचित्रों को सह-स्थानीयकृत करने के लिए व्यापक रूप से लागू प्रक्रिया की रूपरेखा तैयार करनी चाहिए।
चूंकि केपीएफएम नैनोस्केल रिज़ॉल्यूशन के साथ सतह स्थलाकृति और वीपीडी को मापता है, इसलिए उच्च गुणवत्ता वाले केपीएफएम छवियों को प्राप्त करने के लिए नमूना तैयार करना महत्वपूर्ण है। प्रोटोकॉल अनुभाग में चर्चा किए गए बारीक ग्रेडेड पॉलिशिंग चरण धातु मिश्र धातुओं के लिए उच्च गुणवत्ता वाले अंतिम सतह फिनिश प्राप्त करने के लिए एक इष्टतम प्रारंभिक बिंदु हैं। इसके अलावा, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ प्रत्येक पॉलिशिंग चरण के बाद सतह की जांच करने से सतह की गुणवत्ता में सुधार की पुष्टि हो सकती है (उदाहरण के लिए, कम संख्या, आकार और दृश्यमान खरोंच की गहराई), जबकि एक वाइब्रेटरी पॉलिशर के साथ समाप्त करना सर्वोत्तम अंतिम सतह की गुणवत्ता प्रदान करेगा। अंत में, किसी को पॉलिशिंग यौगिकों और सफाई विधियों का चयन करते समय नमूने और माउंटिंग एजेंट के साथ विलायक संगतता पर विचार करना चाहिए। सावधानीपूर्वक नमूना तैयार करने के अलावा, विभिन्न लक्षण वर्णन तकनीकों को सह-स्थानीयकृत करने के लिए मूल स्थान और एक्सवाई समन्वय अक्ष निर्देशों (यानी, नमूना अभिविन्यास / रोटेशन) 6,7,32 को इंगित करने के लिए एक सामान्य संदर्भ (यानी, फिड्यूशियल मार्क) के उपयोग की आवश्यकता होती है। इसे पूरा करने के लिए कई संभावित तरीके हैं। सबसे सरल विधि सतह पर अलग-अलग, पूर्ववर्ती विशेषताओं की पहचान करना है जिन्हें आंखों द्वारा या ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप की सहायता से देखा जा सकता है। इस विधि के काम करने के लिए, सुविधा को एक अच्छी तरह से परिभाषित, आसानी से पहचाने जाने योग्य मूल बिंदु (जैसे, एक कोना या प्रोट्रूशन) और एक स्पष्ट अभिविन्यास प्रदर्शित करने की आवश्यकता है। यहां वर्णित क्यूसिल ब्रेज़ नमूने ने इन आवश्यकताओं को पूरा करने वाले माइक्रोन-स्केल सुविधाओं का प्रदर्शन किया, जिससे सह-स्थानीयकरण सरल हो गया (चित्रा 1 और चित्रा 5) 30। इसके अलावा, दो चरण-अलग क्षेत्रों के विशिष्ट दृश्यमान रंगों ने उनकी संरचना (यानी, तांबा बनाम चांदी समृद्ध) में अंतर्दृष्टि प्रदान की। शायद फिड्यूशियल निशान बनाने के लिए सबसे अच्छी, सबसे प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य विधि नैनोइंडेंटेशन है, हालांकि इसके लिए एक स्टैंडअलोन नैनोइंडेंटर या एएफएम-एकीकृत नैनोइंडेंटर सिस्टम तक पहुंच की आवश्यकता होती है। नैनोइंडेंट्स को विभिन्न तरीकों से व्यवस्थित किया जा सकता है, लेकिन सबसे स्पष्ट यह है कि मूल से एक्स और वाई दिशाओं को इंगित करने के लिए ऑर्थोगोनल अक्षों के साथ संरेखित एक इंडेंट और दो अतिरिक्त इंडेंट का उपयोग करें, जैसा कि एएम टीआई 64 उदाहरण (चित्रा 2) 32 में दिखाया गया है। अंत में, सतह को खरोंच या चिह्नित करके भी भौतिक निशान स्थापित किए जा सकते हैं (उदाहरण के लिए, हीरे के स्क्राइब, रेजर ब्लेड, या माइक्रोमैनिपुलेटर जांच टिप के साथ; या अमिट स्याही या स्थायी मार्कर)। जब अलग-अलग सतह विशेषताएं और / या नैनोइंडेंटर उपलब्ध नहीं होते हैं तो स्क्रैच फिड्यूशियल्स फायदेमंद हो सकते हैं; हालांकि, ये विधियां समस्याएं पैदा कर सकती हैं, खासकर जब संक्षारण गुणों की जांच की जाती है (उदाहरण के लिए, एक खरोंच सतह को नुकसान पहुंचा सकती है, जिससे यह जंग के लिए अतिसंवेदनशील हो सकती है)। यदि स्क्रैच फिड्यूशियल का उपयोग किया जाता है, तो किसी को स्क्रैच को जांच की गई सतह से थोड़ा दूर रखना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि खरोंच प्रयोगात्मक परिणामों को प्रभावित नहीं करती है। इसी तरह, स्याही से संदूषण संक्षारण प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है, और इसलिए, जंग के अलावा अन्य भौतिक गुणों का अध्ययन करते समय इन तरीकों का बेहतर उपयोग किया जाता है।
चूंकि केपीएफएम में वीपीडी का परिमाणीकरण एसी पूर्वाग्रह और डीसी नलिंग क्षमता दोनों के आवेदन पर निर्भर करता है, नमूना सतह से एएफएम चक तक का मार्ग विद्युत रूप से निरंतर होना चाहिए। इस प्रकार, यदि नमूना किसी भी तरह चक से विद्युत रूप से अछूता है (उदाहरण के लिए, इसमें बैकसाइड ऑक्साइड कोटिंग है, एक गैर-संचालन सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है, या एपॉक्सी द्वारा कवर किया जाता है), तो एक कनेक्शन बनाने की आवश्यकता होगी। एक समाधान चांदी के पेस्ट ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग करना है ताकि नमूने की ऊपरी सतह से चक तक एक रेखा खींची जा सके, यह सुनिश्चित करने के लिए कि लाइन में कोई ब्रेक नहीं है और इमेजिंग से पहले पूरी तरह से सूखी है। कॉपर टेप या प्रवाहकीय कार्बन टेप का उपयोग एक समान विद्युत कनेक्शन बनाने के लिए भी किया जा सकता है। विद्युत कनेक्शन स्थापित करने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि के बावजूद, चक-नमूना निरंतरता को केपीएफएम इमेजिंग से पहले एक मल्टीमीटर के साथ जांचा जाना चाहिए।
धातु की सतह के ऑक्सीकरण या संदूषण से मापा वीपीडी में भारी परिवर्तन होता है। नमूने के संपर्क में आने वाली ऑक्सीजन की मात्रा को कम करने से सतह निष्क्रिय या गिरावट धीमी हो सकती है। ऑक्सीकरण को रोकने का एक तरीका एएफएम को एक निष्क्रिय वायुमंडल दस्ताने बॉक्स में रखना है। ऑक्सीजन युक्त परिवेश के वातावरण को आर्गन या नाइट्रोजन जैसी अक्रिय गैस के साथ बदलकर, नमूना सतह को विस्तारित अवधि के लिए अपेक्षाकृत प्राचीन स्थिति में बनाए रखा जा सकता है (चित्रा 3)। एक दस्ताने बॉक्स को नियोजित करने का एक अतिरिक्त लाभ सतह के पानी का उन्मूलन है, जो घुलित दूषित पदार्थों को पेश कर सकता है, संक्षारण या निष्क्रियता में तेजी ला सकता है, और बढ़ी हुई लिफ्ट ऊंचाइयों की आवश्यकता के कारण रिज़ॉल्यूशन को नीचा दिखा सकता है (नीचे देखें)। इसके अतिरिक्त, मापा वीपीडी को सापेक्ष आर्द्रता15,23 के प्रति संवेदनशील दिखाया गया है, और इसलिए, यदि केपीएफएम प्रयोग परिवेश की स्थितियों के तहत किए जाते हैं तो सापेक्ष आर्द्रता की निगरानी (और आदर्श रूप से रिपोर्ट) करना महत्वपूर्ण है।
उपयोग किए गए एएफएम ( सामग्री की तालिका देखें) और नियोजित केपीएफएम कार्यान्वयन मोड के आधार पर, उपलब्ध इमेजिंग पैरामीटर और नामकरण अलग-अलग होंगे। हालांकि, कुछ सामान्य दिशानिर्देश तैयार किए जा सकते हैं। केपीएफएम वीपीडी माप के साथ एएफएम स्थलाकृति को जोड़ता है। इस प्रकार, एक अच्छी स्थलाकृति छवि एक आवश्यक पहला कदम है, जिसमें टिप-नमूना बल (और इसलिए, टिप पहनने और नमूना क्षति की संभावना) को कम करने के लिए एक सेटपॉइंट चुना जाता है, जबकि अभी भी स्थलाकृति की उच्च-निष्ठा ट्रैकिंग बनाए रखते हैं (लाभ और सेटपॉइंट के अंतःक्रिया को अनुकूलित करने के माध्यम से)। दूसरे शब्दों में, स्थलाकृति इमेजिंग मोड की परवाह किए बिना, उपयोगकर्ता को नमूना या जांच को नुकसान पहुंचाए बिना सतह के साथ पर्याप्त बातचीत के बीच संतुलन निर्धारित करना चाहिए (खासकर यदि यह धातु-लेपित है)। इसके अतिरिक्त, यदि नमूना गंदा है या अच्छी तरह से पॉलिश नहीं किया गया है, तो जांच टिप मलबे के संपर्क में आ सकती है, जिसके परिणामस्वरूप एक टूटी हुई टिप या टिप कलाकृतियां हो सकती हैं। केपीएफएम वोल्टा संभावित चैनल में स्थलाकृतिक कलाकृतियों से बचना भी अनिवार्य है, जो यहां वर्णित दोहरे पास केपीएफएम मोड में अधिक आसानी से प्राप्त किया जाता है। इष्टतम केपीएफएम इमेजिंग के लिए निचली और उच्च लिफ्ट ऊंचाइयों के बीच संतुलन की आवश्यकता होती है, क्योंकि लिफ्ट ऊंचाई बढ़ने के साथ केपीएफएम का पार्श्व रिज़ॉल्यूशन कम हो जाता है, लेकिन छोटी दूरी के वैन डेर वाल्स बल (जो टिप-सैंपल इंटरैक्शन के लिए जिम्मेदार होते हैं जो एएफएम स्थलाकृति माप को रेखांकित करते हैं) अस्थिरता पैदा कर सकते हैं जो कम लिफ्ट ऊंचाइयों पर लंबी दूरी के इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन के माप को प्रभावित करते हैं। ऊपर वर्णित एक अक्रिय वातावरण ग्लवबॉक्स में काम करना इस संबंध में फायदेमंद हो सकता है, क्योंकि सतह के पानी की परत का उन्मूलन बेहतर प्रतिक्रिया के लिए टिप-सैंपल इंटरैक्शन में इसके योगदान को हटा देता है, जिससे कम केपीएफएम लिफ्ट ऊंचाइयों और बेहतर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन को सक्षम किया जा सकता है, जिसमें निरंतर (अनिवार्य रूप से शून्य) आर्द्रता और कम चार्ज स्क्रीनिंग के कारण अधिक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य वीपीडी का अतिरिक्त लाभ होता है। इसी तरह, सतह खुरदरापन में कमी (यानी, बेहतर पॉलिशिंग) कम लिफ्ट ऊंचाइयों को सक्षम कर सकती है और इसके परिणामस्वरूप केपीएफएम रिज़ॉल्यूशन में सुधार हो सकता है, क्योंकि स्थलाकृतिक कलाकृतियों से बचने के लिए अंगूठे का एक अच्छा नियम यह है कि लिफ्ट की ऊंचाई लगभग स्कैन क्षेत्र के भीतर मौजूद सबसे ऊंचे उच्च पहलू अनुपात सतह सुविधा (ओं) की ऊंचाई के बराबर सेट की जाए। एक अन्य कारक जो इष्टतम लिफ्ट ऊंचाई निर्धारित करने में आता है वह लिफ्ट मोड पास-बड़ा आयाम के दौरान जांच दोलन आयाम छोटे वीपीडी के लिए अधिक संवेदनशीलता प्रदान करता है, लेकिन स्थलाकृतिक कलाकृतियों से बचने या सतह पर प्रहार करने के लिए बड़ी लिफ्ट ऊंचाइयों की आवश्यकता की लागत पर (अक्सर लिफ्ट स्कैन चरण में अचानक स्पाइक्स के रूप में दिखाई देता है)। फिर, सतह जितनी चिकनी होगी, लिफ्ट ऊंचाई उतनी ही कम होगी जिसे किसी दिए गए दोलन आयाम के लिए प्राप्त किया जा सकता है, जिससे स्थानिक संकल्प और वोल्टा संभावित संवेदनशीलता-अच्छा नमूना तैयारी दोनों में सुधार होता है। अंत में, केपीएफएम छवि को कैप्चर करते समय, किसी को यह ध्यान रखना चाहिए कि एक बड़ा स्कैन आकार अधिक नमूना कवरेज की अनुमति देता है लेकिन स्कैन समय में वृद्धि की लागत पर, क्योंकि डिटेक्शन इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा वोल्टा क्षमता के सटीक माप की अनुमति देने के लिए धीमी स्कैन दरों की आवश्यकता होती है।
प्रवाहकीय सामग्री की सतह पर देखे गए माइक्रोस्ट्रक्चर की सापेक्ष कुलीनता के बारे में अनुमान केपीएफएम (जैसे, माइक्रोगल्वेनिक जोड़े, इंटरग्रेनुलर जंग, थूक संक्षारण) का उपयोग करके मापा गया वीपीडी से किया जा सकता है। हालांकि, साहित्य में रिपोर्ट की गई सामग्रियों की पूर्ण वोल्टा क्षमता व्यापक रूप से 18,24,27 भिन्न होती है। प्रजनन क्षमता की इस कमी के परिणामस्वरूप विभिन्न सामग्री प्रणालियों और उनके संक्षारण व्यवहारके बारे में गलत व्याख्याएं हुई हैं। नतीजतन, पूर्ण वोल्टा क्षमता (यानी, कार्य कार्यों) के निर्धारण या प्रयोगशालाओं, जांच या दिनों में मापे गए वीपीडी की तुलना के लिए, एक निष्क्रिय सामग्री (जैसे, सोना) के सापेक्ष केपीएफएम जांच के कार्य कार्य का अंशांकन आवश्यक है। कुछ लेखकों द्वारा 2019 के एक अध्ययन ने विभिन्न केपीएफएम जांचों की जांच की और उन जांचों और एल्यूमीनियम-सिलिकॉन-गोल्ड (अल-सी-एयू) मानक के बीच परिणामस्वरूप मापा वीपीडी की परिवर्तनशीलता को दिखाया। कार्य समारोह में अंतर एक ही नाममात्र सामग्री और डिजाइन की व्यक्तिगत जांच के लिए भी देखा गया था (चित्रा 12)25)। अवधारणा के प्रमाण के रूप में, 316 एल स्टेनलेस स्टील को पहले संदर्भित क्यूसिल ब्रेज़ द्वारा एक साथ जोड़ा गया था, जिसका उपयोग पूर्ण वीपीडी या कार्य कार्यों को मापने के लिए एक अनुकरणीय सामग्री के रूप में किया गया था। Kvryan et al.30 द्वारा 2016 के काम के डेटा की तुलना विभिन्न प्रकार की जांच के साथ एक ही नमूने पर प्राप्त KPFM VPDs के साथ की गई थी और इसका उपयोग आंतरिक-ब्राज़ वोल्टा क्षमता का विश्लेषण करने के लिए किया गया था। एक संदर्भ कार्य फ़ंक्शन के रूप में अल-सी-एयू मानक के एयू हिस्से का उपयोग करके जांच कार्य फ़ंक्शन को कैलिब्रेट करके, ब्रेज़ चरणों के मापा वीपीडी की पुनरावृत्ति में परिमाण के क्रम से कई सौ मिलीवोल्ट (चित्रा 12 ए) से दसियों मिलीवोल्ट (चित्रा 12 सी) तक सुधार हुआ। अंशांकन में और सुधार सीधे निष्क्रिय संदर्भ के कार्य समारोह को मापकर महसूस किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी या ऑगर इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से) या घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत25,48 का उपयोग करके कार्य फ़ंक्शन की गणना करके।
चित्र 12: केपीएफएम वोल्टा संभावित प्रजनन क्षमता पर जांच अंशांकन का प्रभाव। (A) तीन अलग-अलग PFQNE-AL जांच के सापेक्ष प्राप्त CuSil ब्रेज़ नमूने के भीतर तांबा समृद्ध और चांदी समृद्ध क्षेत्रों के लिए VPDs। (बी) अल-सी-एयू मानक के सोने के हिस्से के सापेक्ष समान तीन जांचों के लिए वीपीडी बाईं ओर समन्वय अक्ष पर प्रस्तुत किए गए हैं, जिसके परिणामस्वरूप संशोधित पीएफक्यूएनई-एएल कार्य फ़ंक्शन मान दाएं समन्वय अक्ष पर प्रस्तुत किए गए हैं, जैसा कि घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत से गणना की गई है। (सी) ब्राज़ नमूने की इमेजिंग से पहले चित्रित अल-सी-एयू मानक के सोने के सापेक्ष मापा वीपीडी को स्केल करके प्राप्त तांबा समृद्ध और चांदी समृद्ध क्षेत्रों के पूर्ण वीपीडी। बाएं निर्देशांक अक्ष (पैनल सी के ऊपर समीकरण का उपयोग करके गणना) ब्रेज़ नमूना चरणों और सोने के मानक के बीच वीपीडी को इंगित करता है। दाएं समन्वय अक्ष (पैनल सी के नीचे समीकरण का उपयोग करके गणना की गई) पैनल बी में गणना की गई जांच के संशोधित कार्य फ़ंक्शन के आधार पर प्रत्येक चरण के लिए परिणामी संशोधित कार्य फ़ंक्शन प्रस्तुत करता है। यह आंकड़ा Efaw et al.25 से पुन: प्रस्तुत किया गया है। संक्षिप्तीकरण: केपीएफएम = केल्विन जांच बल माइक्रोस्कोपी; वीपीडी = वोल्टा संभावित अंतर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
निष्कर्ष में, एसई छवियों, बीएसई छवियों, ईडीएस मौलिक संरचना मानचित्रों और ईबीएसडी व्युत्क्रम ध्रुव आंकड़ों सहित उन्नत एसईएम तकनीकों के साथ केपीएफएम वोल्टा संभावित मानचित्रों का सह-स्थानीयकरण संरचना-संपत्ति-प्रदर्शन संबंधों में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकता है। इसी तरह, अन्य नैनो-टू-माइक्रोस्केल लक्षण वर्णन तकनीकों जैसे कि कॉन्फोकल रमन माइक्रोस्कोपी को स्कैनिंग को आगे संरचनात्मक अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए सह-स्थानीयकृत किया जा सकता है। हालांकि, जब कई लक्षण वर्णन उपकरणों का सह-स्थानीयकरण होता है, तो नमूना तैयार करना महत्वपूर्ण होता है, जिसमें सतह खुरदरापन और मलबे को कम करना, साथ ही नमूना इमेजिंग उत्पत्ति और अक्षों (यानी, अभिविन्यास या रोटेशन) को इंगित करने के लिए विश्वसनीय फिड्यूशियल मार्करों की पहचान करना या बनाना शामिल है। इसके अतिरिक्त, बाद के मापों पर किसी दिए गए लक्षण वर्णन तकनीक के संभावित प्रभाव को ध्यान में रखा जाना चाहिए, और इस कारण से, यह बेहतर है कि केपीएफएम (जो सतह संदूषण के लिए गैर-विनाशकारी और अत्यधिक संवेदनशील दोनों है) को अन्य लक्षण वर्णन विधियों से पहले पहले किया जाए। अंत में, सतह संदूषकों को कम करना, परीक्षण वातावरण (जैसे, परिवेश आर्द्रता) के भ्रामक प्रभावों को ध्यान में रखना और निगरानी करना (या बेहतर, समाप्त करना) और साहित्य में रिपोर्ट किए गए केपीएफएम वोल्टा संभावित मापों की विश्वसनीय, सार्थक तुलना को सक्षम करने के लिए केपीएफएम जांच के कार्य कार्य को ठीक से कैलिब्रेट करना महत्वपूर्ण है। इसके लिए, एएफएम प्रणाली (या, यदि उपलब्ध नहीं है, तो आर्द्रता नियंत्रण / कम नमी वाले वातावरण के एक अन्य रूप को नियोजित करने) और जांच अंशांकन के लिए एक अच्छी तरह से विशेषता कार्य फ़ंक्शन के साथ सोने या अन्य निष्क्रिय संदर्भ सामग्री मानक को रखने के लिए एक अक्रिय वायुमंडल दस्तानेबॉक्स के उपयोग की सिफारिश की जाती है।
The authors have nothing to disclose.
जैसा कि विशेष रूप से नीचे उल्लेख किया गया है, सभी एएफएम और केपीएफएम इमेजिंग बोइस स्टेट यूनिवर्सिटी सरफेस साइंस लेबोरेटरी (एसएसएल) में किए गए थे, जैसा कि बोइस स्टेट सेंटर फॉर मैटेरियल्स कैरेक्टराइजेशन (बीएससीएमसी) में सह-स्थानीयकृत स्कैनिंग कॉन्फोकल रमन माइक्रोस्कोपी के साथ किया गया था। इस काम में इस्तेमाल किए गए ग्लवबॉक्स एएफएम सिस्टम को नेशनल साइंस फाउंडेशन मेजर रिसर्च इंस्ट्रूमेंटेशन (एनएसएफ एमआरआई) ग्रांट नंबर 1727026 के तहत खरीदा गया था, जिसने पीएचडी और ओओएम के लिए आंशिक समर्थन भी प्रदान किया था, जबकि रमन माइक्रोस्कोप को माइक्रोन टेक्नोलॉजी फाउंडेशन से वित्त पोषण के साथ खरीदा गया था। लेखक एमआरआई अनुदान के लिए प्रारंभिक डेटा हासिल करने में अपने ग्लवबॉक्स एएफएम प्रणाली के उपयोग के लिए माइक्रोन टेक्नोलॉजी को धन्यवाद देते हैं, जिसमें इस पांडुलिपि के चित्रा 3 में दिखाए गए बाइनरी एमजीएलए मिश्र धातु के निष्क्रिय वातावरण केपीएफएम छवियों को प्राप्त करना शामिल है। ओओएम और एमएफएच के लिए आंशिक समर्थन एनएसएफ करियर ग्रांट नंबर 1945650 द्वारा भी प्रदान किया गया था, जबकि सीएमई और एमएफएच नासा इडाहो स्पेस ग्रांट कंसोर्टियम ईपीएससीओआर बीज अनुदान से अतिरिक्त धन स्वीकार करते हैं। एफडब्ल्यूडी को सेंटर फॉर इंटीग्रेटेड नैनोटेक्नोलॉजीज, बेसिक एनर्जी साइंसेज उपयोगकर्ता सुविधा के ऊर्जा कार्यालय के एक विभाग द्वारा समर्थित किया गया था। सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज एक बहु-मिशन प्रयोगशाला है, जिसे हनीवेल इंटरनेशनल इंक की पूर्ण स्वामित्व वाली सहायक कंपनी सैंडिया एलएलसी के राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी और इंजीनियरिंग समाधानों द्वारा प्रबंधित और संचालित किया जाता है, जो अनुबंध डीई-एनए 0003525 के तहत अमेरिकी ऊर्जा विभाग राष्ट्रीय परमाणु सुरक्षा प्रशासन के लिए है।
लेखककेपीएफएम इमेजिंग के लिए ब्रेज़ नमूने तैयार करने के लिए जेसेन बी नीलसन को धन्यवाद देते हैं। द्विआधारी MgLa मिश्र धातु (चित्रा 3) निक बिरबिलिस द्वारा प्रदान किया गया था, जो पूर्व में मोनाश विश्वविद्यालय, ऑस्ट्रेलिया के थे, अमेरिकी सेना अनुसंधान प्रयोगशाला (समझौता संख्या W911NF-14-2-0005) के समर्थन से। कारी (लिविंगस्टन) हिगिनबोथम को क्यू-एजी-टीआई ब्रेज़ नमूने में उनके केपीएफएम इमेजिंग और विश्लेषण योगदान के लिए कृतज्ञता पूर्वक स्वीकार किया जाता है। नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी (एनआईएसटी) के निक हराबे और जेक बेंजिंग को उपयोगी चर्चाओं के साथ-साथ तैयार करने (प्रिंटिंग, पॉलिशिंग और नैनोइंडेंटेशन फिड्यूशियल्स बनाने सहित) और एएम टीआई -6 एएल -4 वी नमूने पर एनआईएसटी में एसईएम / ईबीएसडी विश्लेषण करने में उनके व्यापक योगदान के लिए स्वीकार किया जाता है, जबकि जेक बेंजिंग ने राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद पोस्टडॉक्टोरल रिसर्च एसोसिएटशिप आयोजित की थी।
यह पेपर उद्देश्य तकनीकी परिणामों और विश्लेषण का वर्णन करता है। पेपर में व्यक्त किए जाने वाले कोई भी व्यक्तिपरक विचार या राय लेखक (ओं) के हैं और जरूरी नहीं कि अमेरिकी ऊर्जा विभाग, नेशनल एयरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन, नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी, नेशनल साइंस फाउंडेशन या संयुक्त राज्य सरकार के विचारों का प्रतिनिधित्व करें।
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. |