Summary
켈빈 프로브 힘 현미경(KPFM)은 표면 지형과 표면 전위의 차이를 측정하는 반면, 주사 전자 현미경(SEM) 및 관련 분광법은 표면 형태, 구성, 결정도 및 결정학적 방향을 밝힐 수 있습니다. 따라서 SEM과 KPFM의 공동 국소화는 나노 스케일 조성 및 표면 구조가 부식에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.
Abstract
표면 전위 현미경이라고도 하는 켈빈 프로브 힘 현미경(KPFM)은 유서 깊은 스캐닝 켈빈 프로브의 나노스케일 버전으로, 둘 다 크기는 같지만 팁-샘플 전위차와 부호는 반대인 널 전압을 적용하여 진동 프로브 팁과 샘플 표면 사이의 볼타 전위차(VPD)를 측정합니다. 샘플 표면에 전도성 KPFM 프로브를 스캔하면 표면 형상 및 전위의 나노 스케일 변화를 매핑하여 양극 및 음극 영역을 식별하고 갈바닉 부식에 대한 고유한 재료 원동력을 정량화할 수 있습니다.
후방 산란 전자(BSE) 이미지, 에너지 분산 분광법(EDS) 원소 조성 맵 및 전자 후방 산란 회절(EBSD) 역극 수치를 포함한 고급 주사 전자 현미경(SEM) 기술을 사용하여 KPFM Volta 전위 맵의 후속 공동 국소화는 구조-특성-성능 관계에 대한 추가 통찰력을 제공할 수 있습니다. 여기에서는 다양한 기술적 관심 합금에 대해 KPFM과 SEM을 공동 국소화한 여러 연구 결과를 제시하여 부식 시작 및 전파를 설명하기 위해 이러한 기술을 나노 규모로 결합하는 유용성을 보여줍니다.
이러한 조사에서 고려해야 할 중요한 사항과 피해야 할 잠재적 함정도 강조됩니다: 특히 프로브 교정 및 주변 습도(예: 흡착된 물), 표면 반응/산화, 연마 파편 또는 기타 오염 물질을 포함하여 테스트 환경 및 샘플 표면의 측정된 VPD에 대한 잠재적 교란 효과. 또한 전자 현미경 기반 기술이 제공하는 것 이상의 구조적 통찰력을 제공하기 위해 공동 국소화 방법의 일반적인 적용 가능성과 유용성을 입증하기 위해 세 번째 기술인 스캐닝 공초점 라만 현미경을 공동 국소화하는 예가 제공됩니다.
Introduction
재료의 현미경 특성화는 새로운 재료를 이해하고 개발하는 데 근본적으로 중요합니다. 수많은 현미경 방법은 지형, 탄성, 변형률, 전기 및 열 전도도, 표면 전위, 원소 조성 및 결정 방향을 포함한 재료 표면 및 그 특성에 대한 지도를 제공합니다. 그러나 하나의 현미경 양식에 의해 제공되는 정보는 종종 관심있는 물질적 거동에 기여할 수있는 특성 모음을 완전히 이해하기에 충분하지 않습니다. 경우에 따라 고급 현미경은 원자력 현미경(AFM)을 통합하거나 다중 스캐닝 프로브 방식(예: 켈빈 프로브 힘 현미경[KPFM] 또는 상호 변조 정전기력 현미경[ImEFM1], 표면 전위 측정 및 자기력 현미경[MFM])2,3,4를 활용하는 도립 광학 현미경 플랫폼과 같은 결합된 특성화 기능으로 구성되었습니다. 도 5는 동일한 AFM 상에서 샘플을 특성화하는 것이다. 보다 일반적으로, 두 개의 개별 현미경의 정보를 결합하여 구조-속성 상관 관계 6,7을 얻고 싶습니다. 주사 켈빈 프로브 힘 현미경과 주사 전자 및 라만 기반 현미경 및 분광학의 공동 국소화는 특정 응용 예, 즉 부식 거동을 이해하기 위한 금속 합금의 다중 모드 특성화를 통해 두 개 이상의 개별 현미경에서 얻은 정보를 상호 연관시키는 프로세스를 설명하기 위해 여기에 제시됩니다.
부식은 재료가 환경과 화학적, 전기화학적으로 반응하는 과정입니다8. 전기 화학적 부식은 전해질이있는 상태에서 양극과 음극 사이에서 발생하는 전자 및 전하 이동을 포함하는 자발적 (즉, 열역학적으로 유리하며 자유 에너지의 순 감소에 의해 구동되는) 과정입니다. 금속 또는 합금 표면에서 부식이 발생하면 양극 및 음극 영역은 마이크로 갈바닉 부식9으로 알려진 공정에서 미세 구조적 특징의 구성 변화를 기반으로 발생합니다. 여기에 설명된 방법은 공동 국소화된 나노스케일 특성화 기술을 사용하여 다양한 합금 미세 구조 특징 사이에 있을 수 있는 미세 갈바닉 커플을 식별하는 실험 경로를 제공하여 부식 완화 및 신소재 개발에 잠재적으로 유용한 통찰력을 제공합니다. 이러한 실험의 결과는 합금 표면의 어떤 미세 구조적 특징이 활성 부식 동안 국소 양극 부위 (즉, 산화 부위) 또는 음극 (즉, 환원 부위)으로 작용할 가능성이 있는지 결정할 수있을뿐만 아니라 부식 개시 및 반응의 나노 스케일 특징에 대한 새로운 통찰력을 제공 할 수 있습니다.
KPFM은 각각 10나노미터 및 밀리볼트 정도의 분해능으로 샘플 표면의 동시(또는 라인별 순차) 지형 및 볼타 전위차(VPD) 맵을 생성할 수 있는 AFM 기반 스캐닝 프로브 현미경(SPM) 특성화기술입니다. 이를 위해 KPFM은 나노 스케일 팁이 있는 전도성 AFM 프로브를 활용합니다. 일반적으로 프로브는 먼저 샘플 표면의 지형적 변화를 추적한 다음 샘플 표면 위의 사용자 정의 높이로 들어 올려 지형 라인을 다시 추적하여 프로브와 샘플 사이의 VPD(즉, 샘플 표면의 상대 볼타 전위)를 측정합니다. KPFM 측정을 실제로 구현하는 여러 가지 방법이 있지만, 기본적으로 VPD의 결정은 AC 바이어스 (제시된 구현에서 프로브에) 및 가변 DC 바이어스 (제시된 구현에서 샘플에)를 동시에 적용하여 수행됩니다. 프로브의 고유 기계적 공진 주파수의 양쪽) 11. 구현 방법에 관계없이, KPFM은 금속 표면(12)을 가로질러 상관관계가 높은 측면 공간 해상도 지형 및 VPD 맵을 생성한다.
KPFM을 통해 측정된 VPD는 샘플과 프로브 사이의 일함수 차이와 직접적인 상관관계가 있으며, 또한 VPD는 (일반적으로) 용액13,14,15의 전극 전위와 추세를 보입니다. 이 관계는 VPD에 기초한 미세구조적 특징의 예상되는(국소) 전극 거동을 결정하는 데 사용될 수 있으며, 다수의 금속 합금 부식 시스템 15,16,17,18,19,20,21,22에 대해 탐구되었다. . 또한 측정된 VPD는 국소 조성, 표면층 및 입자/결정/결함 구조에 민감하므로 금속 표면에서 부식 반응을 시작하고 구동할 것으로 예상되는 특징에 대한 나노스케일 설명을 제공합니다. VPD (Ψ)는 문헌 13, 14에 더 상세히 설명 된 바와 같이, (측정 불가능한) 표면 전위 (χ)와 관련이 있지만, 정확한 전기 화학 용어(23)의 유용한 다이어그램 및 정확한 정의를 포함한다. 부식 연구에 대한 KPFM 적용의 최근 발전은 샘플 준비, 측정 매개 변수, 프로브 유형 및 외부 환경24,25,26,27의 영향을 신중하게 고려하여 수집 된 데이터의 품질과 반복성을 크게 향상 시켰습니다.
KPFM의 한 가지 단점은 표면 VPD의 나노 스케일 분해능 맵을 생성하지만 조성에 관한 직접적인 정보를 제공하지 않으므로 VPD의 변화와 원소 조성의 차이의 상관 관계는 보완 특성화 기술을 사용한 공동 국소화에 의해 제공되어야한다는 것입니다. KPFM을 SEM, 에너지 분산 분광법 (EDS), 전자 후방 산란 회절 (EBSD) 및 / 또는 라만 분광법과 공동 국소화함으로써 이러한 조성 및 / 또는 구조 정보를 결정할 수 있습니다. 그러나, 공동 국소화 나노 스케일 기술은 이미징의 극단적 인 배율, 시야 및 해상도의 차이, 특성화(28) 동안의 샘플 상호 작용으로 인해 어려울 수 있습니다. 서로 다른 장비에서 샘플의 동일한 영역에 대한 나노-마이크로 스케일 이미지를 얻으려면 기술을 공동 국소화하고 순차적 특성화18,28 동안 가능한 교차 오염으로 인한 아티팩트를 최소화하기 위한 높은 정밀도와 신중한 계획이 필요합니다.
이 기사의 목적은 KPFM과 SEM 이미징을 공동 지역화하기 위한 체계적인 방법을 정의하는 것이며, 후자는 EDS, EBSD 또는 라만 분광법과 같은 다른 특성화 기술로 대체될 수 있습니다. 특성화 단계의 적절한 순서, KPFM 분해능 및 측정된 VPD에 대한 환경 영향, KPFM 프로브 교정 및 KPFM과 SEM 또는 기타 고급 현미경 및 분광학 기술을 성공적으로 공동 국소화하는 데 사용할 수 있는 다양한 전략을 이해해야 합니다. 따라서 SEM과 KPFM을 공동 현지화하기 위한 단계별 일반화 절차가 제공되며, 이러한 공동 현지화의 모범적인 작업과 함께 의미 있는 결과를 얻을 수 있는 유용한 팁과 요령이 제공됩니다. 보다 일반적으로, 여기에 설명된 절차는 다양한 재료 시스템(6,7,29,30,31,32)에서 유용한 구조-속성 관계를 얻기 위해 KPFM 및 기타 AFM 모드와 다른 현미경 양식으로부터 얻은 이미지/속성 맵을 공동 위치화하기 위한 광범위하게 적용 가능한 프로세스를 개략적으로 설명하는 역할을 해야 합니다.
Protocol
1. 금속 합금의 공동 국소화 이미징을 위한 샘플 준비의 예
- AFM 및 사용할 기타 특성화 도구의 치수 요구 사항을 충족 할만큼 충분히 작은 샘플을 준비하십시오 (예 : 여기에 사용 된 AFM의 경우 재료 표 참조, 샘플의 높이가
- 샘플을 허용 가능한 치수로 자르고 고진공 호환 에폭시에 내장합니다( 재료 표 참조, ~25mm 직경의 원통형 금형이 일반적임).
참고: 대표적인 연마 방법이 제공됩니다. 특정 재료 또는 샘플에 대해 사용되는 대체 연마 방법에 대해서는 본원의 참고문헌을 참조한다. 아래의 예제 연마 방법은 연마 휠을 사용한 손 연마를 사용합니다.
- 더 거친 그릿으로 시작하여 더 미세한 그릿 실리콘 카바이드 연마 디스크를 향해 점진적으로 작업하십시오.
- 거친 그릿에서 미세한 그릿(예: ANSI 표준 120그릿에서 1200그릿까지) 실리콘 카바이드 연마 디스크로 작업하고 각 그릿 수준에서 5분을 소비합니다. 각 입자 레벨 사이에서 광학 현미경으로 샘플을 확인하여 긁힘이 최소화되거나 전혀 없는지 시각적으로 확인합니다.
참고: ANSI 표준 120그릿 및 1200그릿 연마지는 각각 유럽 P-등급 P120 및 P4000에 해당합니다.
- 거친 그릿에서 미세한 그릿(예: ANSI 표준 120그릿에서 1200그릿까지) 실리콘 카바이드 연마 디스크로 작업하고 각 그릿 수준에서 5분을 소비합니다. 각 입자 레벨 사이에서 광학 현미경으로 샘플을 확인하여 긁힘이 최소화되거나 전혀 없는지 시각적으로 확인합니다.
- 비수성 1μm 다이아몬드 현탁액을 사용하여 10분 동안 핸드 폴리싱한 후 0.05μm 다이아몬드 현탁액을 사용합니다.
- 진동 폴리셔를 사용하여 0.05μm 또는 0.08μm 수성 콜로이드 실리카 폴리시로 샘플을 24시간 동안 연마합니다.
참고: 진동 폴리셔를 사용하면 손으로 폴리싱하는 것보다 더 미세하게 마무리할 수 있으며 KPFM 이미지 품질이 향상됩니다. - 연구중인 재료가 급속 산화되지 않는 경우, 적절한 용매 (예 : 에탄올, 사용 된 에폭시 및 연마 화합물뿐만 아니라 합금 조성에 따라 다름)로 비커에서 초음파 처리하기 전에 탈 이온수 (또는 무수 알코올과 같은 다른 적절하고 덜 산화되는 용매)로 샘플을 헹구어 잔류 연마 화합물 또는 재료 파편을 제거하십시오.
- 초음파 처리기에서 샘플을 제거하고 용매로 헹구고 압축 공기 또는 초고순도 (UHP, 99.999%) 압축 질소 가스로 건조합니다.
- 광학 현미경을 사용하여 광택이 충분한 지 확인하십시오. 샘플 표면에 눈에 띄는 흠집이 거의 없는지 확인하십시오(이상적으로는 거울처럼 보임).
참고: 가능한 공동 위치 결정 방법에는 나노인덴트 어레이, 스크래치 기준점, 지워지지 않는 잉크 도트 또는 공동 위치 파악할 현미경의 광학 시스템에서 쉽게 인식할 수 있는 기타 기능이 포함됩니다. 연마 후 쉽게 알아볼 수 있는 광학 기능의 예는 그림 1 을 참조하십시오.
- 상용 계측 나노인덴터를 사용하여 연마 전후에 나노인덴테이션을 수행하여 인식 가능한 기준 마커를 생성합니다(그림 2).
- 또는 연마 후 잉크 도트 또는 스크래치(예: 마이크로 매니퓰레이터 프로브, 면도날 또는 다이아몬드 스크라이브 사용)를 만듭니다. 나중에 샘플에서 부식 테스트를 수행해야 하는 경우 이러한 방법을 피하십시오.
그림 1: 공동 국소화 광학 현미경 및 KPFM 이미지. (A) 광학 현미경 및 (B) Cu-Ag-Ti (CuSil) 납땜의 A 에서 박스형 영역의 확대 된 KPFM 이미지는 납땜 합금 내에서 구리가 풍부하고은이 풍부한 상 분리 도메인의 명확한 증거를 보여 주며 눈30으로 식별 할 수있을만큼 뚜렷합니다. 스케일 바: (A) 25 μm, (B) 7 μm. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: KPFM과 전자 현미경의 공동 국소화를 위한 나노인덴테이션 기준점. 다이아몬드 Berkovich 프로브가 장착 된 나노인덴터에 의해 3 개의 기준 표시 (1-3으로 표시되고 XY 축의 경우 두 개의 원, 원점에 대한 삼각형으로 표시됨)의 비대칭 패턴을 생성하여 여러 특성화 기술을 사용하여 동일한 관심 영역을 분석 할 수있었습니다 : (A) SE SEM 이미징, (B) BSE SEM 이미징, 및 (C) α-Ti 및 (D) β-Ti의 EBSD 측정. 패널 A-D 에서 기울어 진 점선 사각형으로 표시된 영역은 AFM / KPFM으로 특성화되어 (E) 높이 및 (F) 볼타 전위 이미지를 생성했습니다. A-D 의 작은 단색 및 점선 사각형은 더 자세히 분석된 고해상도 KPFM 스캔의 영역을 나타냅니다( 그림 9 참조). 이 그림은 Benzing et al.32에서 재현됩니다. 스케일 바 = 20 μm. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SE = 이차 전자; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; EBSD = 전자 후방 산란 회절; AFM = 원자력 현미경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. KPFM 이미징
- AFM을 켜고 해당 제어 소프트웨어를 엽니다(AFM에만 해당, 보충 자료에 포함된 재료 표 및 KPFM 표준 작업 절차(SOP) 참조). 실험 선택 창이 열리면 적절한 실험 범주, 실험 그룹 및 실험(전기 및 자기, 전기 및 자기 리프트 모드 및 PeakForce KPFM, 보충 자료 SOP의 그림 1 참조)을 선택한 다음 실험 로드를 클릭하여 원하는 워크플로를 엽니다. 실험 워크플로가 열리면 워크플로에서 설정을 클릭합니다.
- 전도성 AFM 프로브를 적절한 프로브 홀더에 장착 및 고정하고( 재료 표 참조), 프로브 홀더를 AFM 헤드에 설치하고, 레이저를 프로브 캔틸레버 뒷면과 위치 감지 검출기(PSD)에 정렬합니다. (프로브 로딩 및 레이저 정렬 절차에 대한 자세한 내용과 이미지는 보충 자료 의 SOP를 참조하십시오.)
알림: 선택한 프로브 홀더가 바이어싱을 위해 프로브에서 AFM까지 연속적인 전기 경로를 제공하는지 확인하십시오.- 프로브를 프로브 홀더에 조심스럽게 로드합니다. AFM 헤드를 제거합니다. 프로브 홀더의 구멍을 헤드의 접촉 핀에 맞춰 프로브와 프로브 홀더를 설치합니다. AFM에 헤드를 다시 설치하고 헤드를 제자리에 고정합니다.
알림: 정전기 방전(ESD)은 민감한 AFM 전자 장치뿐만 아니라 많은 KPFM 프로브의 전도성 금속 코팅을 쉽게 손상시킬 수 있으므로 환경 조건(예: 습도)에 따라 ESD 방지 장갑 착용 및/또는 접지 손목 스트랩 또는 매트 사용과 같은 대책을 고려하십시오. - 프로브 설정 메뉴에서 사용 중인 프로브 유형이 표시되는지 확인합니다. 필요한 경우 프로브 선택을 클릭하고 드롭다운 메뉴에서 올바른 프로브 유형을 선택한 다음 Return 및 Save Changes(변경 사항 저장)를 클릭합니다.
- 초점 팁 메뉴에서 초점 컨트롤 위/아래 화살표를 사용하여 캔틸레버의 끝에 초점을 맞춥니다. 필요에 따라 초점 속도, 광학 줌 및 비디오 조명을 조정합니다. 캔틸레버의 끝에 초점이 맞춰지면 캔틸레버의 말단부에서 팁의 알려진 셋백을 기반으로 캔틸레버 아래의 팁 위치에 해당하는 위치에서 광학 이미지를 클릭하여 팁 위치 위에 십자선을 정렬합니다.
알림: 팁 셋백은 일반적으로 프로브 제조업체에서 지정하거나 사용할 수 있습니다. - AFM 헤드의 레이저 정렬 노브를 사용하여 프로브 캔틸레버 후면 중앙에 레이저를 말단부(즉, 프로브 기판의 팁/반대쪽)에 정렬하고 반사된 빔을 PSD의 중앙에 배치하여 수직 및 수평 편향을 최소화하면서 합 전압을 최대화합니다.
- 프로브를 프로브 홀더에 조심스럽게 로드합니다. AFM 헤드를 제거합니다. 프로브 홀더의 구멍을 헤드의 접촉 핀에 맞춰 프로브와 프로브 홀더를 설치합니다. AFM에 헤드를 다시 설치하고 헤드를 제자리에 고정합니다.
- 샘플을 척에 로드하고 On/Off 레버 스위치를 사용하여 척 진공을 켭니다. 전도성 은 페이스트의 얇은 선(재료 표 참조)을 적용하여 샘플에서 척까지 연속적인 전기 경로를 제공합니다. 은 페이스트가 건조되면 멀티미터를 사용하여 시료의 상단 표면이 시료 척/스테이지에 대한 연속성이 양호한지 확인합니다. (자세한 내용은 보충 자료의 SOP를 참조하십시오.)
알림: 샘플과 스테이지/척 사이의 전기적 연결이 좋지 않으면 KPFM 이미징 중에 얻은 잠재적 채널 데이터에 노이즈가 있거나 오류가 발생합니다. - 선택 탐색 AFM 제어 소프트웨어 워크플로우의 창을 열고 스테이지 이동을 사용하여 샘플 위로 프로브를 이동합니다. XY 컨트롤 화살표. 를 사용하여 샘플 표면에 초점을 맞춥니다. 스캔 헤드 위쪽/아래쪽 화살표를 누른 다음 스테이지 이동 사용 XY 컨트롤 화살표를 다시 클릭하여 지정된 원점을 찾고 관심 영역(ROI)으로 이동합니다. ( 그림 8 그리고 그림 9 안에 보충 자료 SOP)를 참조하십시오.
- 표면에 조심스럽게 접근하고(필요에 따라 스캔 헤드 이동 속도 조정) 표면에 초점을 맞춥니다. 프로브 또는 샘플 손상이 발생할 수 있으므로 프로브가 샘플 표면에 충돌하지 않도록 주의하십시오.
참고: 여기에 사용된 AFM 제어 소프트웨어는 샘플(기본값) 과 팁 반사의 두 가지 초점 옵션을 제공합니다. 전자는 표면이 광학 뷰에서 초점으로 나타날 때 AFM 캔틸레버가 표면 위로 ~ 1mm 위에 있도록 1mm 초점 거리를 사용합니다. 후자는 AFM 캔틸레버가 표면 위 ~ 2mm에있을 때 표면에 초점이 맞춰지도록 2mm 초점 거리를 사용하는 반면, 캔틸레버가 표면 위 ~ 1mm 일 때 팁 반사가 초점에 나타납니다 (고도로 연마 된 반사 샘플 표면을 가정). 따라서 표면에 접근하는 제안된 방법은 팁 반사 모드에서 시작하여 샘플 표면에 초점이 맞춰질 때까지 최대 속도(100%)로 접근한 다음 샘플(기본값) 로 전환하고 중간 속도(20%)로 접근하여 표면 위 2mm에서 1mm로 이동하는 것입니다. - 스테이지 이동 XY 컨트롤을 사용하여 쉽게 식별할 수 있는/구별되는 피처를 프로브 팁 바로 아래에 배치합니다(여기에 사용된 AFM 및 소프트웨어의 광학 보기 창에서 십자선으로 표시됨). 피처를 통과한 후 도구 모음에서 보정을 클릭한 다음 광학 및 광학/SPM 축 동일선형성을 선택하여 측면 장착 카메라 광학 장치에 의해 유도된 시차를 수정합니다. Next(다음)를 클릭하여 동일 선형성 교정 단계를 진행합니다. Finish(마침)를 클릭하기 전에 제시된 각 광학 이미지에서 동일한 고유 피처 위에 십자선을 정렬한 다음 소프트웨어 워크플로우에서 탐색(Naveugate)을 클릭하여 계속합니다.
- 지정된 원점을 찾고(선택/사용된 공동 위치 결정 방법에 따라) 프로브 팁을 원점 중앙에 배치하여 X 및 Y 좌표축(즉, 샘플 방향 및 회전)을 적절하게 정렬합니다. 원하는 ROI로 반복 가능한 탐색을 수행하고 다른 특성화 기술/기기와 공동 위치 파악을 가능하게 하려면 소프트웨어 창 하단에 표시된 X 및 Y 위치 값(μm)을 기록해 두십시오. 지정된 원점을 초과하면 XY 위치를 기록한 다음 원하는 영역(ROI)으로 이동하여 새 XY 위치를 기록합니다. KPFM을 다른 현미경 및 분광학 기술과 공동 국소화할 때 X 및 Y 방향으로 이동하는 거리를 판별하기 위해 이 두 위치 간의 차이를 계산하십시오.
참고: 아래의 하위 단계에서 자세히 설명하는 것처럼 원점을 기준으로 ROI의 위치를 결정하고 정의하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.- 도구 모음에서 스테이지 를 클릭하고 이동 위치를 선택합니다. 원점 XY 위치를 기록한 다음 ROI에 대해 원점에서 원하는 거리를 기준으로 X 및 Y 이동 값을 절대(기본값) 또는 상대( 상대 동작 확인란을 선택하여)를 입력합니다(또는 스테이지 이동 컨트롤을 사용하여 ROI로 이동하고 새 XY 위치를 기록).
- 또는 가장 직관적이고 선호되는 방법은 도구 모음에서 스테이지를 클릭하고 참조 설정을 선택하는 것입니다. 지정된 원점 위에 있는 동안 원점 정의에서 점을 원점으로 표시를 클릭하여 X 및 Y 위치 값을 0으로 설정합니다. 그런 다음 프로브를 원하는 ROI로 이동하고 원점에서 ROI까지의 거리를 화면 하단에 X 및 Y 값으로 표시합니다.
- 표면에 조심스럽게 접근하고(필요에 따라 스캔 헤드 이동 속도 조정) 표면에 초점을 맞춥니다. 프로브 또는 샘플 손상이 발생할 수 있으므로 프로브가 샘플 표면에 충돌하지 않도록 주의하십시오.
- AFM을 둘러싸고 있는 음향 후드를 닫고 잠급니다.
참고: 위의 방법은 표준 주변 환경 AFM 시스템을 가정하지만 KPFM은 불활성 분위기 글로브박스에서도 수행할 수 있습니다. 글로브박스에 수용된 AFM을 사용하면 주변 조건에서 경험하는 가변 습도에 비해 리프트 높이를 낮추고(따라서 공간 분해능이 높아짐) 재현 가능한 VPD 측정이 가능할 뿐만 아니라 연마 후 샘플의 수동 산화물층 형성 또는 부식을 방지할 수 있기 때문에 지표수의 양이 줄어들기 때문에 매우 유용할 수 있습니다(그림 3 ). 주변 조건에서 KPFM 실험을 수행하는 경우 온도와 상대 습도를 신중하게 제어하고 (가능한 경우) 모니터링하는 것이 좋습니다. 자세한 내용은 토론을 참조하십시오. - 매개 변수 확인 워크플로 창을 선택하고 기본 초기 이미징 매개 변수가 허용되는지 확인합니다. 도구 모음에서 현미경 설정으로 이동하여 Engage 설정을 선택하고 기본 Engage 매개 변수가 허용되는지 확인하고 원하는 경우 수정합니다. (자세한 내용은 보충 자료 의 SOP 참조). 워크플로에서 참여 단추를 클릭하여 표면에 참여 합니다. 팁이 제대로 맞물리도록 결합 프로세스를 모니터링합니다.
참고: 참여를 클릭하면 소프트웨어 화면 하단의 팁 보안 알림이 모터: ZZ로 변경됩니다. Z μm 여기서 ZZ. Z는 스테퍼 모터가 샘플 표면을 향해 이동한 거리입니다. 프로브는 결합 설정에서 선택한 대략 SPM 안전 설정(기본값은 100μm)에서 표면을 결합해야 합니다. 특히 긴 팁(즉, 큰 팁 높이)을 갖는 프로브를 사용하는 경우, 결합 프로세스의 초기 빠른 하강 부분 동안 프로브의 충돌을 피하기 위해 SPM 안전성을 높여야 할 수도 있습니다(즉, SPM 안전성은 캔틸레버에서 팁의 끝까지의 거리로 정의되는 프로브 팁 높이보다 커야 합니다. 표면 초점 거리의 불확실성). - 결합되면 곡선을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 디스플레이 유형 전환을 선택하여 힘 곡선의 표시 유형을 힘 대 시간에서 힘 대 Z로 전환합니다. 스캔 인터페이스의 매개변수 창에서 AFM 토포그래피 및 KPFM 매개변수를 최적화하십시오(보충 자료의 설명 및 KPFM SOP 참조). 캡처 > 캡처 파일 이름 아래에 적절한 디렉토리 경로와 파일 이름을 정의한 후 캡처 아이콘을 클릭하여 원하는 다음 완료 이미지의 캡처를 설정한 다음 이미지가 캡처되면 워크플로에서 철회를 클릭합니다(또는 캡처 > 캡처 철회를 클릭하여 프로세스를 자동화합니다).
그림 3: KPFM Volta 전위 측정에 대한 불활성 대 주변 분위기의 영향. 동일한 유형의 프로브 및 이미징 양식을 사용하여 동일한 제조사 및 모델의 AFM에서 (A) 건조N2 및 (B) 주변 공기에서 얻은 바이너리 MgLa 합금의 동일한 영역의 KPFM 이미지. 두 경우 모두, 샘플은 이미지 사이의 밤새 배양으로 두 번 이미징되었습니다. 공기 중의 이미지는N2에서 1일 후에 이미지를 획득하였다. 상기 결과는 KPFM 콘트라스트가 합금 표면에 형성된 얇은 부동태화 산화물 층으로서 주변 공기에 노출시 시간에 따라 분해됨을 입증한다. 불활성 분위기 (건조 N2) 글로브 박스 AFM 시스템을 사용하면 더 낮은 리프트 높이를 사용할 수 있으므로 측면 공간 해상도가 높아질 수 있습니다. 스케일 바 = 10 μm. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; AFM = 원자력 현미경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. SEM, EDS 및 EBSD 이미징
참고 : 전자빔이 샘플에 원치 않는 탄소 코팅을 증착 할 수 있기 때문에 KPFM 후에 전자 현미경 또는 분광학 특성화를 수행하는 것이 가장 좋습니다 (즉, 전자빔 증착). 이 오염층은 KPFM을 통해 측정된 VPD에 영향을 미칩니다(예: Hurley et al. 18 또는 그림 1 in Mallinson and Watts28). 탄소 오염의 얇은 층은 매우 높은 진공 조건에서도 침전될 수 있으며 표면 전위 측정에 영향을 미칩니다.
- 샘플이 충전을 억제하는지 확인하십시오. 샘플의 전도성이 충분하지 않은 경우(일반적으로 금속 합금의 경우 아님) 이미징 전에 탄소 코팅을 고려하십시오. 샘플을 SEM 챔버에 로드합니다. 챔버를 닫고 펌핑(대피)합니다. 빔 켜기 버튼을 사용하여 전자빔을 켭니다. 확대 노브를 사용하여 광학적으로 축소하여 샘플 표면의 최대 시야(FOV)를 얻습니다.
- 지정된 출처(예: 나노인덴테이션, 스크래치, 지워지지 않는 잉크 도트, 광학 기능)를 찾은 다음 확대 노브를 사용하여 확대합니다. 기준 마커에 따라 X 및 Y 축의 방향을 지정합니다(즉, 샘플 방향/회전 조정) 스테이지 회전 및 기울기 옵션에 값을 입력합니다. 필요에 따라 확대하고 지정된 ROI의 원하는 이미지(예: 이차 전자[SE], BSE 및 EDS 맵)를 캡처하고 파일을 저장합니다.
참고: SEM은 AFM보다 더 넓은 FOV를 제공하므로 KPFM과 공동 지역화할 전체 영역을 캡처하도록 보장하기 위해 넓은 영역의 SEM 이미지를 얻는 것이 유용한 경우가 많습니다(토론 참조).
4. KPFM, SEM, EDS 및 EBSD 이미지 오버레이 및 분석
- 각 특성화 도구( 재료 표 참조)에 적합한 소프트웨어를 사용하여 필요에 따라 원시 데이터를 처리합니다. 획득한 KPFM 및 SEM 이미지를 사용할 이미지 오버레이 소프트웨어를 위해 원하는 파일 형식(예: *.spm, *.txt, *.jpg, *.tif 등)으로 저장하고 내보냅니다.
- KPFM 데이터를 적절히 처리하여 고품질 이미지를 확보한다( 재질 표 참조).
참고: 사용된 특정 AFM 하드웨어 및 소프트웨어 구성에 따라 측정된 VPD의 감지(즉, 부호 및 상대 순서)가 반전되어 반전되어야 할 수 있습니다. VPD는 샘플의 볼타 전위에서 프로브 팁의 전위를 뺀 값으로 보고하는 것이 일반적이며, 더 고귀한/덜 쉽게 산화되는 표면은 더 크고 더 양의 볼타 전위로 표시되며, 이는 작업 함수가 일반적으로 표면에서 전자를 제거하는 상대적 어려움을 나타내는 큰 양의 값으로 보고되는 것과 같습니다.- KPFM 데이터 파일을 연 후 KPFM 이미지의 AFM 지형(높이 센서) 채널에 1차 평면 맞춤을 적용하여 샘플 팁과 기울기를 제거하고, 프로브 마모 또는 프로브 팁의 이물질 픽업으로 인한 라인 간 오프셋을 보정하기 위해 필요한 경우 1차 평면화를 적용합니다.
참고: 절대 볼타 전위 측정이 필요하거나(토론 참조) 동일한 프로브로 측정된 KPFM VPD가 포함된 여러 이미지를 비교해야 하는 경우 KPFM Volta 전위 채널을 처리하지 마십시오(즉, 수집된 데이터로 원시 사용). 대신 사용자가 이미징된 샘플 영역 내부(즉, 완전히 내부에 포함된) 미세 구조의 상대적 VPD에만 관심이 있는 경우 이미지 품질을 향상시키기 위해 KPFM 전위 채널을 평면화하고 평면화하는 것도 허용됩니다. - 먼저 AFM 지형 이미지의 왼쪽에 있는 잠재적 채널 축소판을 선택한 다음 KPFM VPD 맵의 오른쪽에 있는 색상 축척 막대를 두 번 클릭하여 이미지 색상 비율 조정 창에서 색상 테이블 선택 탭을 열어 KPFM 이미지에 대해 원하는 색 구성표/그라디언트를 선택합니다.
- 이미지 색상 배율 조정 창의 데이터 배율 수정 탭에서 KPFM VPD 이미지에 대한 적절한 축척 막대 범위(즉, 최소값 및 최대값)를 입력한 다음 (즉, 최소값 및 최대값)을 클릭합니다. 높이 센서 채널 축소판 이미지를 먼저 (재)선택한 후 AFM 지형 이미지에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 저널 품질 저장된 처리된 AFM 지형 이미지 및 KPFM VPD 맵을 이미지 파일(예: *.jpg, *.tif 등)로 내보냅니다.
- KPFM 데이터 파일을 연 후 KPFM 이미지의 AFM 지형(높이 센서) 채널에 1차 평면 맞춤을 적용하여 샘플 팁과 기울기를 제거하고, 프로브 마모 또는 프로브 팁의 이물질 픽업으로 인한 라인 간 오프셋을 보정하기 위해 필요한 경우 1차 평면화를 적용합니다.
- KPFM 데이터를 적절히 처리하여 고품질 이미지를 확보한다( 재질 표 참조).
- 처리된 AFM 지형 이미지 및 KPFM VPD 맵을 원시 SEM 이미지와 함께 선택한 이미지 조작 소프트웨어에서 엽니다( 재료 표 참조). AFM/KPFM 데이터와 SEM 이미지(예: SE, BSE, EDS, EBSD 등) 모두에서 지정된 출처를 식별합니다. 두 이미지의 원점을 오버레이한 다음 선택한 기준 표시 또는 특성 피처로 지정된 X 및 Y 좌표축을 사용하여 이미지를 회전 정렬합니다. 필요에 따라 이미지의 크기를 조정합니다.
참고: AFM 및 SEM 이미지의 지형 특징은 서로 정렬되어야 하며 서로 다른 구성에 대한 연마 속도 및 VPD의 차이로 인해 KPFM 및 구성 정보(예: BSE 이미지 또는 EDS 맵)와 일치할 수 있습니다. 이미지를 오버레이하고 정렬할 때 위쪽(오버레이된) 이미지의 투명도를 높이는 것이 도움이 되는 경우가 많습니다.
Representative Results
이진 Mg 합금: KPFM 및 SEM
우수한 강도 대 중량 비율로 인해 마그네슘(Mg) 합금은 휴대용 전자 제품 및 자전거, 자동차 및 비행기와 같은 운송 응용 분야의 구조 부품으로 사용하기에 관심이 있습니다. 또한, Mg 합금은 음극 보호 및 배터리 시스템(33,34,35)에서 양극으로서 활용된다. 순수 Mg는 너무 얇기 때문에 (MgO의 필링 - 베드 워스 비율이 0.81 임) 수동 보호 산화막을 형성 할 수 없으며, 이는 대부분의 다른 전도성 물질과 합금 될 때 매우 활성 인 금속이됩니다 (표준 수소 전극 대비 -2.372 V의 환원 전위) 9. 마그네슘 합금 부식의 주요 원동력은 음극 활성화이며, 여기서 음극 반응은 양극 용해(29)에 의해 향상된다. 이 과정을 방해하는 한 가지 방법은 음극 수소 발생 반응을 늦추는 금속을 첨가하여 미세 합금을 사용하는 것입니다. 2016년 연구에서는 게르마늄(Ge)을 미세 합금 원소로 통합하여 이원 Mg 합금29를 생성하는 방법을 조사했습니다. KPFM은 볼타 전위가 다른 지역의 존재를 나타내고 해당 VPD를 정량화했습니다. 그러나이 결과만으로는 이들 영역의 원소 구성을 구별 할 수 없었다. 그림 4의 중첩 된 이미지에서 볼 수 있듯이 KPFM을 BSE SEM (원자 번호를 기반으로 원소 대비를 제공)과 공동 국소화함으로써 매트릭스 및 Mg 2 Ge2차 위상의 상대적 귀족 (즉, 양극 / 음극 거동 가능성이있는 부위)을 정확하게 식별했습니다. 활성 부식 동안, Mg2차 상은 환원을위한 우선적 인 부위로서 관찰되었으며, 이는 차례로 부식 메커니즘을 Mg에 대한 광범위한 사상 유사 부식으로부터 Ge가 포함되었을 때 최소 부위에서의 감소 된 공격으로 전환시켜 재료의 부식 성능을 향상 시켰다.
구리 - Ag - 티 삼원 납땜 합금 : KPFM 및 SEM / EDS
브레이징은 용접36과 같은 다른 일반적인 금속 접합 기술에 대한 저온 대안입니다. 그러나, 316L 스테인리스강 쿠폰(30)을 결합하기 위해 Cu-Ag-Ti(CuSil) 및 Cu-Ag-In-Ti(InCuSil) 납땜의 사용에 관한 비교 연구에서 도시된 바와 같이, 납땜(37) 내의 상 분리 및 결과적인 갈바닉 부식으로 인해 접합 성능 및 수명이 저하될 수 있다. 그림 5는 Cu-Ag-Ti 납땜 조인트의 대표적인 영역을 보여주며, 여기서 공동 국소화 된 BSE SEM, EDS 및 KPFM은은 풍부 상이 ~ 60mV까지 구리가 풍부한 상에 대해 음극 (즉, 더 고귀한)임을 확인했으며,이 상 분리 및 VPD는 결국 납땜의 구리가 풍부한 영역 내에서 미세 갈바닉 부식의 시작으로 이어진다. 그러나, 주변 316L 스테인리스강 쿠폰 및 티타늄(Ti) 계면 습윤층(38)은 인접한 납땜 합금 상 모두에 대해 볼타 전위에서 양극 산화되는 것으로 관찰되었다. 따라서, 스테인레스 스틸 매트릭스는 이론적으로 납땜보다 더 반응성 (즉, 더 쉽게 산화되는) 것입니다. 그러나 갈바닉 부식 시나리오에서 최악의 경우는 큰 음극 표면적이 클수록 빠른 양극 용해를 유도하기 때문에 작은 양극이 큰 음극과 접촉하는 것입니다. 반대로, 음극 납땜 합금으로 결합된 양극 316L 스테인리스강 쿠폰을 포함하는 이 시나리오에서는 더 큰 양극과 더 작은 음극의 조합이 갈바닉 부식 속도를 늦추는 역할을 해야 합니다.
2 상 삼원 Ti 합금 + 붕소 : KPFM 및 SEM / EDS
단조 티타늄 합금 6 at. % 알루미늄 및 4에서. % 바나듐 (Ti-6Al-4V 또는 Ti64)은 높은 강도 대 중량비와 우수한 내식성 39,40,41로 인해 매력적인 구조용 합금입니다. 특히, Ti64는 생체 적합성42,43,44로 인해 생체 의학 임플란트 및 장치에 사용됩니다. 그러나 Ti64는 뼈보다 뻣뻣하기 때문에 관절 교체에 사용할 때 뼈가 악화되고 임플란트 접착력이 떨어질 수 있습니다. 붕소 (B)의 첨가는 ~0.02에서 용해도 한계를 갖는다. Ti64의 %는 Ti64의 기계적 특성을 골31의 것과 보다 가깝게 모방하도록 조정하기 위해 조사되었다. 그러나, 이러한 붕소 첨가는 특히 관절 교체와 같은 생체 의학 임플란트의 경우와 같이 혈장과 장기간 접촉 할 때 부식에 대한 합금의 민감성을 증가시킬 수있다. 그림 6은 Ti64 + 0.43% B 샘플의 공동 지역화된 KPFM, BSE SEM 및 EDS 맵을 보여줍니다. 붕소의 포화점 위에 나타나는 결과 붕소가 풍부한 TiB 바늘 (그림 6A 및 그림 6D)은 주변의 Al이 풍부한 Ti64 알파 (α) 매트릭스 (그림 6C) 및 상호 연결된 필라멘트 V가 풍부한 Ti64 베타 (β) 단계와 구별 될 수 있으며, TiB 바늘은 β 단계31보다 약간 더 높은 (즉, 더 고귀한) 볼타 전위 (그림 6B에서 더 밝음)에 나타납니다. 그림 7은 KPFM이 두 기술의 침투 깊이 및 샘플링 볼륨의 차이로 인해 SEM보다 훨씬 더 표면에 민감하다는 사실을 보여줍니다. 특히, 인간 플라즈마를 모방한 용액에 노출되었을 때 합금 표면에 수 나노미터 두께의 부동태화 산화물이 형성되고 후속 전위차역학 사이클링(임플란트 장치의 부식 민감성을 결정하기 위한 ASTM F2129-15 표준 테스트 프로토콜)은 BSE SEM 이미지(그림 7A) 및 EDS 맵(그림 7C)에서 표면 아래 미세 구조가 계속 표시됨에도 불구하고 비교적 균일한 표면 전위(그림 7B)를 측정하는 결과를 가져왔습니다. ). 대조적으로, Ti64 샘플을 강제 부식 조건(즉, 높은 염 농도 및 극도의 양극 전위)에 노출시키면 공동 국소화 KPFM, BSE SEM 및 EDS를 사용하여 낮은(0.04% B) 대 고농도(1.09% B) 농도의 붕소 첨가 샘플에 대한 부식 거동의 차이를 관찰할 수 있었습니다(그림 8).
3D 인쇄 된 삼원 Ti 합금 : KPFM 및 SEM / EBSD
금속 및 금속 합금의 적층 제조 (AM)는 더 복잡한 모양과 미세 구조 및 특성에 대한 제어로 부품을 더 저렴하고 빠르게 생산할 수있는 잠재력을 가지고 있습니다45. AM에 사용되는 주요 재료 중 하나는 위에서 설명한 Ti64입니다. 단조 Ti64와 유사하게 AM Ti64는 열역학적으로 안정한 Al이 풍부한 α상과 준안정 V가 풍부한 β상의 두 단계를 포함하며 각 상은 다양한 결정학적 방향을 나타냅니다. 표면에 존재하는 위상 및 결정학적 방향에 따라 프린트된 부품의 부식 특성이 영향을 받습니다. 그림 2는 전자빔 용융 분말 베드 융합 후 고온 등압 프레스(HIP)32를 통해 생성된 AM Ti64의 공동 국소화된 AFM/KPFM, SEM(SE 및 BSE 모두) 및 EBSD(α 및 β상 모두) 이미지를 보여줍니다. EBSD에 의해 밝혀진 다양한 입자의 결정학적 방향은 KPFM VPD와 함께 국소화되어 AM Ti64의 부식 특성에 영향을 미칠 가능성이 있는 방향을 결정함으로써 빌드 프로세스 매개변수를 조정하여 비이상적인 방향 또는 위상을 줄일 수 있습니다. KPFM에 의해 획득 된 지형 (그림 2E) 및 VPD (그림 2F)는 SEM (그림 2A, B) 및 EBSD (그림 2C, D)지도에서 점선으로 구분 된 약간 회전 된 큰 사각형 영역을 오버레이합니다. 그림 9는 그림 2A-D에서 단색 흰색 사각형으로 윤곽이 그려진 영역을 확대하여 α-α 입자 경계를 통과할 때 측정된 VPD가 두 입자의 상대적 결정학적 방향에 따라 달라진다는 것을 보여줍니다. 추가적으로, α-β 상 경계는 상이한 입자 배향의 α-α 경계와 같거나 더 큰 상대적 VPD를 나타내었다. 볼타 전위 구배가 높을수록 이론적으로 마이크로 갈바니 구동력 증가로 인해 입계 부식률이 증가하여 β 입자의 수와 α 라스와의 접촉점을 최소화 할 필요가 있음을 시사하기 때문에 이는 중요합니다.
핵 클래딩용 Zr 합금의 단면 분석: KPFM, SEM 및 라만
지르코늄 (Zr)과 그 합금은 중성자 흡수 단면적이 낮고 고온 내식성으로 인해 핵 응용 분야에서 클래딩으로 일반적으로 사용됩니다. 그러나, "이탈 현상", 수소화물-유도 취성 및 다양한 펠릿-클래딩 상호작용을 포함하는 다양한 잠재적 분해 메카니즘으로 인해, 지르코늄 수명은 급격히 단축될 수 있고, 그 결과 원자로 고장의 위험이 초래된다(46). 따라서, 지르코늄 합금 분해 메커니즘은 KPFM, SEM 및 공초점 주사 라만 현미경 (라만 스펙트럼에 기초한 결정 구조의 차이를 나타낼 수 있음) 47의 공동 국소화에 의해 조사되었다. 여기서, 산화 지르코늄 결정 구조 (단사 정계 대 정방정계)와 상대 볼타 전위 사이의 상관 관계가 관찰되었다. 구체적으로, 금속-산화물 계면 근처에 우선적으로 위치하는 정방정계 지르코늄 산화물(t-ZrO2)(도 10A-C 및 도 10E-G의 우측 패널에서 수직 점선으로 표시됨)은 ~600mV 더 고귀한 벌크 단사정계가 풍부한 지르코늄 산화물(m-ZrO2 ). 이는 그림 10A-C의 ZrO2/Zr 계면에 걸친 VPD 및 퍼센트 정방정 라인 단면에서 볼 수 있습니다. 또한, t-ZrO2 영역은 또한 금속 기판에 대해 약간 활성인 것으로 밝혀졌으며(도 10A), 이로 인해 지르코늄의 확산 제한 산화의 또 다른 단계로서 pn 접합 영역이 발생하였다.
KPFM의 유용성과 보완적인 특성화 기술을 사용한 공동 지역화에 대한 추가 증거도 이 연구에서 볼 수 있습니다. 명목상 "순수한"Zr 금속에서도 일부 미량 철 불순물이 가공 후에도 존재하여 철이 풍부한 2 차 상 입자 (Fe가 풍부한 SPP)가 생성됩니다. 이는 KPFM 및 스캐닝 공초점 라만 스펙트럼 매핑을 통해 관찰되었으며, 여기서 그림 10E에서 볼 수 있는 밝은 음극 입자에 해당하는 상대 볼타 전위의 큰 증가는 라만 스펙트럼의 상당한 변화와 상관관계가 있습니다(그림 10F,G). 이 음극 입자는 처음에는 Fe가 풍부한 SPP로 추정되었지만 EDS는이 경우 철의 존재를 확인할 수 없었습니다 (그림 10H). 그러나 그림 10에 제시된 데이터의 경우 KPFM을 먼저 수행한 다음 라만 매핑을 수행한 다음 마지막으로 SEM/EDS를 수행했습니다. 불행히도 입사 레이저 출력에 따라 라만 매핑 중에 레이저 빔 손상(SPP의 제거/제거 포함)이 가능하므로 후속 EDS를 통한 SPP 식별이 불가능할 수 있습니다. 입사 라만 여기 레이저의 유해한 영향은 순차 특성화 프로세스에서 라만 매핑을 제거하여 여기에서 확인되었으며, 이는 공동 국소화 KPFM 및 SEM/EDS에 의해 주변 Zr 매트릭스에 비해 Fe가 풍부한 SPP 및 그에 상응하는 증가된 VPD를 성공적으로 식별했습니다(그림 11A,B의 빨간색 원 ). 이는 일부 도구가 파괴적이거나 표면에 영향을 미칠 가능성이 더 높기 때문에 사용자가 공동 지역화 된 특성화 기술을 사용하는 순서의 중요성을 강조합니다. 특히, KPFM은 비파괴적이지만, KPFM 이전에 라만 또는 SEM/EDS 분석을 수행하는 것은 결과 볼타 전위 측정(18,28)에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 표면 감지 기술과 공동 지역화할 때 KPFM을 먼저 수행하는 것이 좋습니다.
그림 4: KPFM과 BSE SEM의 공동 국소화. (A) 바이너리 Mg-0.3Ge 합금의 중첩된 BSE SEM 및 KPFM 이미지, (B)Mg2Ge2차 상(더 밝고, 더 고귀한) 및 매트릭스(더 어두움)의 상대적 전위를 보여주는 A의 오버레이된 KPFM 볼타 전위 맵의 확대/축소, (C) B의 파선 영역에 해당하는 볼타 전위에 대한 라인 스캔 데이터 매트릭스와Mg2Ge 2 차 상 사이의 전위의 ~ 400mV 차이를 보여줍니다. 이 수치는 Liu et al.29에서 재현됩니다. 스케일 바 = (A) 10 μm, (B) 5 μm. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: KPFM, BSE SEM 및 EDS의 공동 지역화. (A) Cu-Ag-Ti (CuSil) 납땜 샘플의 BSE SEM 이미지 및 (B) 해당 공동 국소화 KPFM 표면 전위 이미지. (C) 티타늄 (Ti) 습윤 첨가제, (D) 구리 (Cu) 및 (E) 은 (Ag)에 대한 삼원 합금의 동일한 영역의 EDS 원소지도가 또한 도시된다. 스케일 바 = 10 μm. 이 수치는 Kvryan et al.30에서 재현됩니다. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; EDS = 에너지 분산 분광법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 개질 합금에서 KPFM, BSE SEM 및 EDS의 공동 국소화. (C) 알루미늄 (Al) 및 (D) 붕소 (B)의 해당 EDS 맵과 함께 붕소가 풍부한 바늘의 형성을 보여주는 0.43 % B와 합금 된 Ti-6Al-4V의 공동 국소화 된 (A) BSE SEM 및 (B) KPFM 이미지. SEM 이미지의 빨간색 상자는 KPFM 스캔의 위치를 나타냅니다. 스케일 바 = (A, C, D) 40 μm, (B) 20 μm. 이 수치는 Davis et al.31에서 채택되었습니다. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; EDS = 에너지 분산 분광법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: KPFM 대 BSE SEM 및 EDS의 표면 패시베이션 및 시차 이미징 깊이. ASTM F2129-15 테스트 프로토콜을 거친 Ti-6Al-4V + 1.09% B 샘플의 (A) BSE SEM 및 (B) KPFM 이미지. 얇은 부동태화 층의 형성은 ASTM F2129-15 테스트 프로토콜을 거치지 않은 샘플과 비교하여 KPFM으로 측정한 바와 같이 보다 균일한 표면 전위를 가져왔습니다( 그림 6 참조). 공동 배치 된 (A) BSE SEM 및 (C) EDS 맵 (알루미늄, Al; 바나듐, V; 붕소, B)은 부동태 필름 아래의 미세 구조의 상 조성과 명백한 부식 공격의 부족을 확인했습니다. SEM 이미지의 빨간색 상자는 해당 KPFM 스캔의 대략적인 위치를 나타냅니다. 스케일 바 = (A) 40 μm, (C–E) 25 mm, (B) 20 μm. 이 그림은 Davis et al.31에서 재현됩니다. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; EDS = 에너지 분산 분광법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 우선 부식의 증거. (A, B) AFM 지형 및 (A, C, E) 0.04 % B 및 (B, D, F) 1.09 % B Ti-6Al-4V 샘플의 (A, B) 및 (C, D) BSE SEM 이미지 해당 (E) 알루미늄 (Al) 및 산소 (O) 및 (F) 붕소 (B) 및 산소 (O) EDS 맵. (C,D) SEM 이미지의 빨간색 상자는 해당 AFM 이미지의 대략적인 위치를 나타냅니다. (ᄀ,ᄂ) AFM 지형 이미지에서 볼 수 있는 구멍은 더 높은 볼타 전위에도 불구하고 바나듐이 풍부한 준안정 β상 내에서 부식이 우선적으로 발생했음을 보여줍니다. (B, D, F) 또한 더 높은 붕소 함량 샘플은 현저히 더 적은(그리고 더 얕은) 피팅을 나타냈다는 점에 유의하십시오. 스케일 바 = (A,B) 20 μm, (E–H) 25 mm, (C, D) 40 μm. 이 그림은 Davis et al.31에서 재현됩니다. 약어 : AFM = 원자력 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; EDS = 에너지 분산 분광법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: KPFM, BSE SEM 및 EBSD의 공동 현지화. 그림 2의 실선 사각형으로 지정된 영역에 대한 자세한 SEM 및 KPFM 분석. (A) BSE 이미징, (B) AFM 높이 센서 (지형), (C) EBSD (흰색 선은 α-β 위상 경계를 나타내고 검은 색 선은 정의 된 입자 경계를 나타냄) 및 (D) KPFM Volta 전위를 공동 배치하여 α 라스를 특성화하는 기술. A–D 의 흰색 화살표로 표시된 하이퍼맵에 대한 라인 스캔 결과는 (E) EBSD 및 (F) KPFM Volta 전위에 대해 표시됩니다. (G) 볼타 전위의 상대적 차이에 대한 요약은 i) 단일 α 라스 내에서, ii) 유사한 입자 방향의 α-α 경계 및 iii) 다른 입자 방향의 α-α 경계를 가로 지르는 세 가지 유형의 측정에 대해 표시됩니다. (H) 서로 다른 이전 β 방향에 대한 볼타 전위 범위(하나의 표준 편차가 표시됨). 스케일 바 = (A–D) 5 μm. 이 그림은 Benzing et al.32에서 재현됩니다. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; AFM = 원자력 현미경; EBSD = 전자 후방 산란 회절. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10: KPFM, 라만 현미경, BSE SEM 및 EDS의 공동 국소화. 산화 및 단면 (A-D) Zr-2.65Nb 합금 및 (E-H) 순수 Zr에 대한 KPFM, 라만 현미경 및 SEM/EDS의 공동 국소화. 위에서 아래로: (A,E) KPFM Volta 전위 맵(왼쪽), 해당 대표 VPD 라인 스캔(오른쪽), (B,F) 퍼센트 정방정 및 (C,G) 단사정 ZrO2 피크 위치 맵(압축 응력 표시) 해당 대표 라인 스캔이 있는 라만 매핑을 통해 결정, (D,H) 해당 EDS 맵 및 대표 라인 스캔이 있는 SEM 이미지. 모든 경우에 라인 스캔의 위치는 해당 샘플 이미지에서 흰색 화살표로 표시됩니다. 스케일 바 = (A) 10 μm, (D) 50 μm, (E) 6 μm, (H) 20 μm. 이 수치는 Efaw et al.47에서 채택되었습니다. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; EDS = 에너지 분산 분광법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 11: 라만 현미경 검사 없이 KPFM, BSE SEM 및 EDS의 공동 국소화. 산화된 순수 Zr(사전 이탈)의 단면 샘플에 대한 (A) KPFM 높이(상단) 및 볼타 전위(하단)와 (B) SEM(상단) 및 EDS 원소 분석(하단)의 공동 국소화. KPFM이 수행 된 영역은 오른쪽 상단의 SEM 이미지에서 주황색 점선으로 표시되는 반면, KPFM 볼타 전위 및 EDS Fe 풍부도에서 빨간색 원은 높은 VPD 영역과 Fe가 풍부한 입자 간의 상관 관계를 나타냅니다. 스케일 바 = (A) 8 μm, (B) 25 μm. 이 그림은 Efaw et al.47에서 재현됩니다. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; SEM = 주사 전자 현미경; BSE = 후방 산란 전자; EDS = 에너지 분산 분광법. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 자료: 켈빈 프로브 힘 현미경의 표준 작동 절차. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
KPFM은 나노 스케일 분해능으로 표면 지형과 VPD를 측정하므로 고품질 KPFM 이미지를 얻으려면 샘플 준비가 중요합니다. 프로토콜 섹션에서 논의된 미세하게 그라데이션된 연마 단계는 금속 합금의 고품질 최종 표면 마감을 달성하기 위한 최적의 출발점입니다. 또한 광학 현미경으로 각 연마 단계 후에 표면을 검사하면 표면 품질 향상(예: 눈에 보이는 스크래치의 수, 크기 및 깊이 감소)을 확인할 수 있으며 진동 연마기로 마무리하면 최상의 최종 표면 품질을 제공합니다. 마지막으로, 연마 화합물 및 세척 방법을 선택할 때 시료 및 장착제와의 용매 호환성을 고려해야 합니다. 신중한 샘플 준비 외에도 다양한 특성화 기술을 공동 포지셔닝하려면 공통 참조 (즉, 기준 표시)를 사용하여 원점 위치 및 XY 좌표축 방향 (예 : 샘플 방향 / 회전) 6,7,32를 표시해야합니다. 이를 수행하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 간단한 방법은 눈으로 또는 광학 현미경의 도움으로 볼 수있는 표면의 뚜렷한 기존 특징을 식별하는 것입니다. 이 방법이 작동하려면 피처에 잘 정의되고 쉽게 식별할 수 있는 원점(예: 모서리 또는 돌출부)이 있어야 하며 명확한 방향을 나타내야 합니다. 여기에 설명된 CuSil 납땜 샘플은 이러한 요구 사항을 충족하는 미크론 규모의 특징을 시연하여 공동 위치 파악을 간단하게 만듭니다(그림 1 및 그림 5) 30. 또한, 두 개의 상으로 분리 된 영역의 독특한 가시적 인 색상은 구성에 대한 통찰력을 제공했습니다 (즉, 구리 대 은이 풍부). 기준 표시를 만드는 가장 좋고 재현 가능한 방법은 나노인덴테이션일 수 있지만, 이를 위해서는 독립형 나노인덴터 또는 AFM 통합 나노인덴터 시스템에 액세스해야 합니다. 나노인덴트는 다양한 방법으로 배열할 수 있지만 가장 확실한 것은 AM Ti64 예(그림 2)32와 같이 하나의 인덴트를 원점으로 사용하고 직교 축을 따라 정렬된 두 개의 추가 인덴트를 사용하여 원점에서 X 및 Y 방향을 나타내는 것입니다. 마지막으로, 기준 마크는 또한 표면을 긁거나 마킹함으로써 확립될 수 있다(예를 들어, 다이아몬드 스크라이브, 면도날, 또는 마이크로매니퓰레이터 프로브 팁으로; 또는 지울 수 없는 잉크 또는 영구 마커로). 스크래치 기준점은 뚜렷한 표면 특징 및/또는 나노인덴터를 사용할 수 없을 때 유용할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 특히 부식 특성을 검사할 때 문제를 일으킬 수 있습니다(예: 스크래치로 인해 표면이 손상되어 부식되기 쉽습니다). 스크래치 기준점을 사용하는 경우 스크래치가 실험 결과에 영향을 미치지 않도록 검사된 표면에서 스크래치를 조금 더 멀리 배치해야 합니다. 마찬가지로 잉크의 오염은 부식 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 부식 이외의 재료 특성을 연구 할 때 이러한 방법이 더 잘 사용됩니다.
KPFM에서 VPD의 정량화는 AC 바이어스 및 DC 널링 전위의 적용에 따라 달라지므로 샘플 표면에서 AFM 척까지의 경로는 전기적으로 연속적이어야 합니다. 따라서 샘플이 척으로부터 전기적으로 절연된 경우(예: 후면 산화물 코팅이 있거나, 비전도성 기판에 증착되거나, 에폭시로 덮여 있는 경우) 연결이 필요합니다. 한 가지 해결책은 은 페이스트( 재료 표 참조)를 사용하여 샘플의 상단 표면에서 척까지 선을 그려 이미징 전에 선이 끊어지지 않고 완전히 건조되도록 하는 것입니다. 구리 테이프 또는 전도성 탄소 테이프를 사용하여 유사한 전기 연결을 만들 수도 있습니다. 전기 연결을 설정하는 데 사용되는 방법에 관계없이 KPFM 이미징 전에 멀티 미터로 척-샘플 연속성을 확인해야합니다.
금속 표면의 산화 또는 오염은 측정된 VPD의 급격한 변화를 초래합니다. 시료가 접촉하는 산소의 양을 최소화하면 표면 패시베이션 또는 분해가 느려질 수 있습니다. 산화를 방지하는 한 가지 방법은 AFM을 불활성 분위기의 글로브 박스에 두는 것입니다. 산소가 풍부한 주변 환경을 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스로 대체함으로써 샘플 표면을 비교적 깨끗한 상태로 장기간 유지할 수 있습니다(그림 3). 글로브박스 사용의 또 다른 이점은 용해된 오염 물질을 도입하고 부식 또는 패시베이션을 가속화하며 리프트 높이를 높여야 하기 때문에 분해능을 저하시킬 수 있는 지표수를 제거하는 것입니다(아래 참조). 또한, 측정된 VPD는 상대 습도(15,23)에 민감한 것으로 나타났으므로, KPFM 실험이 주변 조건에서 수행되는 경우 상대 습도를 모니터링(이상적으로 보고)하는 것이 중요하다.
사용된 AFM( 재료 표 참조) 및 사용된 KPFM 구현 모드에 따라 사용 가능한 이미징 매개변수 및 명명법이 달라집니다. 그러나 몇 가지 일반적인 지침을 공식화 할 수 있습니다. KPFM은 AFM 지형과 VPD 측정을 결합합니다. 따라서 좋은 지형 이미지는 팁-샘플 힘(따라서 팁 마모 및 샘플 손상 가능성)을 최소화하는 동시에 지형의 고충실도 추적을 유지하도록 설정된 설정점을 선택하는 필수 첫 번째 단계입니다(이득과 설정점의 상호 작용 최적화를 통해). 즉, 지형 이미징 모드에 관계없이 사용자는 샘플 또는 프로브를 손상시키지 않고 표면과의 충분한 상호 작용 사이의 균형을 결정해야합니다 (특히 금속 코팅 된 경우). 또한 샘플이 더럽거나 잘 연마되지 않으면 프로브 팁이 파편과 접촉하여 팁이 파손되거나 팁 아티팩트가 발생할 수 있습니다. 또한 KPFM Volta 전위 채널에서 지형 아티팩트를 피하는 것이 필수적이며, 이는 여기에 설명된 것과 같은 이중 패스 KPFM 모드에서 보다 쉽게 달성됩니다. 최적의 KPFM 이미징은 리프트 높이가 증가함에 따라 KPFM의 측면 분해능이 감소하기 때문에 낮은 리프트 높이와 높은 리프트 높이 사이의 균형이 필요하지만 AFM 지형 측정을 뒷받침하는 팁-샘플 상호 작용을 담당하는 단거리 반 데르 발스 힘은 낮은 리프트 높이에서 장거리 정전기 상호 작용의 측정에 영향을 미치는 불안정성을 생성할 수 있습니다. 상기와 같이 불활성 분위기의 글로브 박스에서 작업하는 것은 지표수 층을 제거하면 피드백 개선을위한 팁-샘플 상호 작용에 대한 기여도를 제거하여 KPFM 리프트 높이를 낮추고 공간 분해능을 향상시킬 수 있으며 일정한(본질적으로 0) 습도 및 감소된 전하 스크리닝으로 인해 재현 가능한 VPD의 추가 이점이 있기 때문에 이와 관련하여 유리할 수 있습니다. 마찬가지로, 감소된 표면 거칠기(즉, 더 나은 연마)는 더 낮은 리프트 높이를 가능하게 하고 개선된 KPFM 해상도를 초래할 수 있는데, 이는 지형적 아티팩트를 피하기 위한 좋은 경험 법칙이 리프트 높이를 스캔 영역 내에 존재하는 가장 높은 종횡비 표면 피쳐(들)의 높이와 거의 동일하게 설정하는 것이기 때문이다. 최적의 리프트 높이를 결정할 때 작용하는 또 다른 요소는 리프트 모드 패스 중 프로브 진동 진폭으로, 진폭이 클수록 작은 VPD에 더 큰 감도를 부여하지만 지형적 아티팩트를 피하거나 표면에 부딪히는 것을 방지하기 위해 더 큰 리프트 높이가 필요합니다(종종 리프트 스캔 단계에서 갑작스러운 스파이크로 표시됨). 다시 말하지만, 표면이 매끄러울수록 주어진 진동 진폭에 대해 달성할 수 있는 리프트 높이가 낮아져 공간 분해능과 Volta 전위 감도가 모두 향상되므로 우수한 샘플 준비가 핵심입니다. 마지막으로, KPFM 이미지를 캡처할 때 스캔 크기가 클수록 더 많은 샘플 커버리지가 가능하지만 검출 전자 장치로 볼타 전위를 정확하게 측정하려면 스캔 속도가 느리기 때문에 스캔 시간이 증가한다는 점을 명심해야 합니다.
전도성 물질의 표면에서 관찰되는 미세 구조의 상대적 귀족에 대한 추론은 KPFM을 사용하여 측정 된 VPD (예 : 마이크로 갈바니 커플, 입계 부식, 공식 부식)로부터 이루어질 수있다. 그러나 문헌에보고 된 물질의 절대 볼타 전위는 매우 다양합니다 18,24,27. 이러한 재현성 부족으로 인해 다양한 재료 시스템과 부식 거동에 대한 잘못된 해석이 발생했습니다23,25. 결과적으로 절대 볼타 전위(즉, 일 함수)를 측정하거나 실험실, 프로브 또는 일수에 걸쳐 측정된 VPD를 비교하려면 불활성 물질(예: 금)에 대한 KPFM 프로브의 일 함수 교정이 필수적입니다(25,48). 일부 저자의 2019년 연구에서는 다양한 KPFM 프로브를 조사한 결과 해당 프로브와 알루미늄-실리콘-금(Al-Si-Au) 표준물질 간의 측정된 VPD의 가변성을 보여주었습니다. 동일한 공칭 재료 및 디자인의 개별 프로브에 대해서도 일 함수의 차이가 관찰되었습니다(그림 12)25. 개념 증명으로 이전에 참조된 CuSil 납땜으로 결합된 316L 스테인리스강이 절대 VPD 또는 일 함수를 측정하기 위한 예시 재료로 사용되었습니다. Kvryan et al.30의 2016 년 연구 데이터는 다양한 프로브를 사용하여 동일한 샘플에서 얻은 KPFM VPD와 비교되어 내부 납땜 볼타 전위를 분석하는 데 사용되었습니다. Al-Si-Au 표준의 Au 부분을 기준 일 함수로 사용하여 프로브 일 함수를 보정함으로써 납땜 단계의 측정된 VPD의 반복성은 수백 밀리볼트(그림 12A)에서 수십 밀리볼트(그림 12C)로 수십 배 이상 향상되었습니다. 교정의 추가적인 개선은 불활성 기준의 일 함수를 직접 측정하거나(예를 들어, 광방출 분광법 또는 오거 전자 분광법을 통해) 밀도 기능 이론(25,48)을 사용하여 일 함수를 계산함으로써 실현될 수 있다.
그림 12: 프로브 교정이 KPFM Volta 전위 재현성에 미치는 영향 . (A) CuSil 납땜 샘플 내의 구리가 풍부하고 은이 풍부한 영역에 대한 VPD는 3 개의 다른 PFQNE-AL 프로브에 대해 얻어졌습니다. (B) 밀도 함수 이론에서 계산 된 바와 같이 왼쪽 세로축에 표시된 Al-Si-Au 표준의 금 부분에 대한 동일한 3 개의 프로브에 대한 VPD, 결과 수정 된 PFQNE-AL 일 함수 값이 오른쪽 세로축에 표시됩니다. (C) 납땜 샘플의 이미징 전에 이미징 된 Al-Si-Au 표준의 금에 대해 측정 된 VPD를 스케일링하여 얻은 구리가 풍부하고은이 풍부한 영역의 절대 VPD. 왼쪽 좌표축(패널 C 위의 방정식을 사용하여 계산)은 납땜 샘플 단계와 금본위제 사이의 VPD를 나타냅니다. 오른쪽 세로축(패널 C 아래의 방정식을 사용하여 계산됨)은 패널 B에서 계산된 프로브의 수정된 일함수를 기반으로 각 위상에 대한 결과 수정된 일함수를 나타냅니다. 이 수치는 Efaw et al.25에서 재현됩니다. 약어 : KPFM = 켈빈 프로브 힘 현미경; VPD = 볼타 전위차. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
결론적으로, KPFM Volta 전위 맵과 SE 이미지, BSE 이미지, EDS 원소 조성 맵 및 EBSD 역극점 수치를 포함한 고급 SEM 기법의 공동 국소화는 구조-속성-성능 관계에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 마찬가지로, 스캐닝 컨포칼 라만 현미경과 같은 다른 나노-마이크로 스케일 특성화 기술도 공동 국소화하여 추가적인 구조적 통찰력을 제공할 수 있습니다. 그러나 여러 특성화 도구를 공동 지역화할 때는 표면 거칠기와 파편을 최소화하고 샘플 이미징 원점과 축(즉, 방향 또는 회전)을 나타내는 신뢰할 수 있는 기준 마커를 식별하거나 생성하는 등 샘플 준비가 중요합니다. 또한 주어진 특성화 기술이 후속 측정에 미치는 잠재적 영향을 고려해야 하며, 이러한 이유로 KPFM(비파괴적이고 표면 오염에 매우 민감함)을 다른 특성화 방법보다 먼저 수행하는 것이 좋습니다. 마지막으로, 표면 오염 물질을 최소화하고, 테스트 환경의 교란 효과(예: 주변 습도)를 고려 및 모니터링(또는 더 나은 방법으로 제거)하고, KPFM 프로브의 일 함수를 적절하게 보정하여 문헌에 보고된 KPFM Volta 전위 측정의 신뢰할 수 있고 의미 있는 비교를 가능하게 하는 것이 중요합니다. 이를 위해 AFM 시스템을 수용하기 위해 불활성 분위기 글로브 박스를 사용하고 (또는 사용할 수없는 경우 다른 형태의 습도 제어 / 저 수분 환경 사용) 프로브 교정을위한 잘 특성화 된 일 기능을 가진 금 또는 기타 불활성 참조 물질 표준을 사용하는 것이 좋습니다.
Disclosures
저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
아래에 구체적으로 언급된 경우를 제외하고, 모든 AFM 및 KPFM 이미징은 보이시 주립 대학 표면 과학 연구소(SSL)에서 수행되었으며, 공동 국소화 스캐닝 공초점 라만 현미경과 함께 보이시 주립 재료 특성화 센터(BSCMC)에서 공동 국소화 SEM/EDS 이미징이 수행되었습니다. 이 작업의 대부분에 사용 된 글로브 박스 AFM 시스템은 국립 과학 재단 주요 연구 기기 (NSF MRI) 보조금 번호 1727026에 따라 구입되었으며, PHD 및 OOM에 대한 부분적인 지원을 제공했으며 라만 현미경은 마이크론 기술 재단의 자금으로 구입했습니다. 저자는 이 원고의 그림 3 에 표시된 이진 MgLa 합금의 불활성 대기 KPFM 이미지 획득을 포함하여 MRI 보조금을 위한 예비 데이터를 확보하는 데 글로브박스 AFM 시스템을 사용한 Micron Technology에 감사드립니다. OOM과 MFH에 대한 부분적인 지원은 NSF CAREER Grant Number 1945650에 의해 제공되었으며, CME와 MFH는 NASA Idaho Space Grant Consortium EPSCoR Seed Grant의 추가 자금을 인정합니다. FWD는 에너지부 기초 에너지 과학 사용자 시설인 통합 나노기술 센터의 지원을 받았습니다. Sandia National Laboratories는 계약 DE-NA0003525에 따라 미국 에너지부 국가 핵 안보국을 위해 Honeywell International Inc.의 전액 출자 자회사인 Sandia LLC의 National Technology and Engineering Solutions가 관리하고 운영하는 다중 임무 실험실입니다.
저자는 KPFM 이미징을 위한 납땜 샘플을 준비한 Jasen B. Nielsen에게 감사를 표합니다. 이진 MgLa 합금(그림 3)은 전 호주 모나쉬 대학교의 Nick Birbilis가 미 육군 연구소(계약 번호 W911NF-14-2-0005)의 지원을 받아 제공했습니다. Kari (Livingston) Higginbotam은 Cu-Ag-Ti 납땜 샘플에 대한 KPFM 이미징 및 분석 기여에 대해 감사하게 생각합니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 닉 흐라베(Nik Hrabe)와 제이크 벤징(Jake Benzing)은 NIST에서 AM Ti-6Al-4V 샘플을 준비(인쇄, 연마 및 생성 포함)하고 SEM/EBSD 분석을 수행하는 데 광범위한 기여를 했을 뿐만 아니라 Jake Benzing이 국립 연구 위원회 박사후 연구원 자격을 보유한 동안 유용한 토론으로 인정받고 있습니다.
이 백서에서는 객관적인 기술 결과 및 분석에 대해 설명합니다. 논문에 표현될 수 있는 주관적인 견해나 의견은 저자의 것이며 반드시 미국 에너지부, 미국 항공 우주국, 국립 표준 기술 연구소, 국립 과학 재단 또는 미국 정부의 견해를 나타내는 것은 아닙니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Atomic force microscope | Bruker | Dimension Icon | Uses Nanoscope control software, PF-KPFM module/key enabled |
| Colloidal silica polish | Leco | 812-121-300 | Abrasive: 0.08 μm (80 nm). Used as a finishing polish for metals. Great when preparing samples for performing high resolution EBSD. |
| Conductive silver paint, Pelco | Ted Pella | 16062 | Other products with similar conductivity can be used (e.g., Pelco #16031 or 16034), but this product combines fast ambient drying, low VOC, high mechanical strength, easy cleanup/removal, and relatively low sheet resistance: https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx |
| Diamond slurry | Buehler | MetaDi Supreme, Polycrystalline Diamon Suspension | Final steps in polishing the sample. Start with 1 μm, then move to 0.05 μm (50 nm). |
| Digital Multimeter | Fluke | Fluke 21 Multimeter | For checking continuity from the AFM stage/chuck to the sample surface, confirming proper grounding and biasing, etc. |
| Epoxy | Buehler | EpoThin 2 | 4:1 ratio of resin to hardener. Mixed together and used for mounting samples to help with polishing and experiments. |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 459828 | 200 proof, spectrophotometric grade. Used to clean samples after polishing and/or prior to imaging. |
| Glovebox, inert atmosphere | MBraun | LabMaster Pro MB200B + MB20G gas purification unit | Custom design (leaktight electrical feedthroughs, vibration isolation, acoustical noise and air current minimization, etc.) and depth for use with Bruker Dimension Icon AFM, 3 gloves, argon atmosphere |
| Image overlap software | Microsoft | PowerPoint | Other software products can be used as desired depending upon user knowledge. The essential software capabilities needed are translation, rotation, and scaling of images, as well as ideally adjustment of image transparency during overlay of KPFM/other microscopy images. |
| KPFM probe | Bruker | PFQNE-AL | Have also tried Bruker SCM-PIT and SCM-PIC probes, as well as solid Pt probes from Rocky Mountain Nanotechnology, but have found PFQNE-AL probes to provide superior performance |
| KPFM standard | Bruker | PFKPFM-SMPL | 8 mm x 8 mm silicon wafer patterned with a 3 x 9 array of rectangular islands of aluminum (50 nm thick) surrounded by gold (50 nm thick). Mounted on a 15 mm steel disk with top surface gold layer electrically connected to disk. |
| Nanoindenter | Hysitron | TS 75 | Nanoindented additively manufactured Ti-6Al-4V samples in a right triangle pattern to create an origin and XY axes for co-localized imaging. |
| Nanscope Analysis | Bruker | Version 2.0 | Free AFM image processing and analysis software package, but proprietary, designed for, and limited to Bruker AFMs; similar functionality is available from free, platform-independent AFM image processing and analysis software packages such as Gwyddion, WSxM, and others |
| Polisher | Allied | MetPrep 3 | Used during slurry polishing |
| Probe holder | Bruker | DAFMCH | Specific to the particular AFM used, but must provide a direct electrical path from the probe to the instrument; DAFMCH is the standard contact and tapping mode probe holder for the Dimension Icon AFM, suitable for KPFM |
| Raman microscope, scanning confocal | Horiba | LabRAM HR Evolution | Scanning confocal Raman microscope with 442 nm, 532 nm, and 633 nm excitation wavelengths/lasers (used 532 nm doubled Nd:YAG); 10x, 20x, 50x, and 100x Olympus objectives; 50-250 mm adjustable confocal pinhole, 0.8 m imaging spectrometer with 600 and 1800 line/mm gratings; TE cooled 256 x 1024 CCD array detector; and 80 mm x 100 mm Marzhauser motorized XYZ stage plus DuoScan mirror capabilities for scanning |
| Sample Puck | Ted Pella | 16218 | Product number is for 15 mm diameter stainless steel sample puck. Also available in 6 mm, 10 mm, 12 mm, and 20 mm diameters at https://www.tedpella.com/AFM_html/AFM.aspx#anchor842459 |
| Scanning electron microscope | Hitachi | S-3400N-II | Located at Boise State. Used to perform co-localized SEM/EDS on all samples except additively manufactured (AM) Ti-6Al-4V. |
| Scanning electron microscope | Zeiss | Leo | Field Emission SEM. Located at NIST's Boulder, CO, campus. Used to provide co-localized SEM/EBSD on the AM Ti-6Al-4V samples. |
| Silicon carbide grit paper (abrasive discs) | Allied | 120 grit: 50-10005, 400 grit: 50-10025, 800 grit: 50-10035, 1200 grit: 50-10040 | Polished samples progressively from ANSI standard 120 grit to 1200 grit prior to employing any slurries. Note that ANSI standard 120 grit corresponds to P120 (European), while ANSI standard 1200 grit corresponds to P4000 (European) - i.e., the ANSI (US Industrial Grit) and European FEPA (P-Grading) abrasives characterization standards agree at coarse grits, but diverge numerically for finer abrasives. |
| Sonicator | VWR (part of Avantor) | 97043-992 | Used to clean samples via sonication after polishing. |
| Ultrahigh purity nitrogen (UHP N2), 99.999% | Norco | SPG TUHPNI - T | T size compressed gas cylinder of ultrahigh purity (99.999%) nitrogen for drying samples |
| Variable Speed Grinder | Buehler | EcoMet 3000 | Used with silicon carbide grit papers during hand polishing. |
| Vibratory polisher | Buehler | AutoMet 250 Grinder Polisher | Used to polish samples for longer periods of time. Automatic polishing. |
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