A measurement system for nonlinear surface spectroscopy with an atomic force microscope during corrosion process monitoring

In addition to traditional imaging of the surface, atomic force microscopy (AFM) enables wide variety of additional measurements. One of them is higher harmonic imaging. In the tapping mode the nonlinear contact between a tip and specimen results in higher frequency vibrations. More information available from the higher harmonics analysis proves to be helpful for more detailed imaging. Such visualization is especially useful for heterogeneous surfaces which are studied to understand corrosion mechanisms. In this paper the measurement system for nonlinear surface spectroscopy by AFM for corrosion processes monitoring is presented.

Oprócz tradycyjnego zastosowania, mikroskop sił atomowych (ang. Atomic Force Microscope, AFM) [1] (rys. 1) umożliwia wiele dodatkowych pomiarów, wśród których wyróżnić można obrazowanie powierzchni próbki wyższymi harmonicznymi [6-13]. W trybie półkontaktowym [2-4] w odpowiedzi mikrobelki zauważane są wyższe harmoniczne będące wynikiem oddziaływań nieliniowych [2-6]. Wykorzystanie wzmacniacza fazoczułego (ang.: lock-in amplifier) umożliwia obrazowanie topografii badanej próbki [12, 13] nawet do dwudziestej harmonicznej. Otrzymywane obrazy umożliwiają wyostrzenie elementów niewidocznych podczas tradycyjnego skanowania. Ma to związek z wyostrzoną czułością wyższych harmonicznych na struktury topograficzne. Takie obrazowanie jest szczególnie przydatne do badań próbek niejednorodnych [12], gdy łatwo wyróżnić przez obserwację poziom niektórych harmonicznych [6]. Oprócz wyraźnych zmian przy przejściach między różnymi substancjami, pomiary w cieczach wykazują się zwiększoną wrażliwością na lokalne różnice w elastyczności i interakcji geometrii [10]. Przedstawiono system do obrazowania powierzchni za pomocą wyższych harmonicznych w pomiarach ECAFM (ang. Electrochemical Atomic Force Microscopy, ECAFM, rys. 2). Prezentowane rozwiązanie (rys. 3, rys. 4) umożliwia jednoczesną rejestrację obrazów do szóstej harmonicznej podczas monitorowania procesów korozji (rys. 5, 6). Proponowany system pozwala na uzyskiwanie dodatkowych informacji o zjawiskach korozji zachodzących na skanowanych powierzchniach. Taka metoda stanowi uzupełnienie istniejących metod analizy powierzchni korozyjnych [14-16].