Caracterización de modificaciones de la superficie de la interferometría de luz blanca: Aplicaciones en Sputtering Ion, ablación con láser y Experimentos Tribología

La perfilometría óptica es un método sin contacto para medir las alturas superficiales de objetos grandes o pequeños con precisión submicrométrica. El objetivo general del siguiente experimento es utilizar un microscopio interferométrico de luz blanca como un método rápido para medir la topografía de áreas pequeñas, lo que permite cuantificar la cantidad de material perdido durante procesos de desgaste mecánico o durante procesos de grabado de materiales, como cráteres por pulverización iónica o ablación láser. Esta medición se logra primero obteniendo perfiles tridimensionales de las superficies de prueba mediante un microscopio de interferencia de luz blanca.

La luz blanca incoherente formará patrones de interferencia distintos. Solo cuando los retrasos en la longitud de trayectoria sean iguales, estarán ampliamente disponibles. Se emplean herramientas de medición por software para determinar los cambios en la superficie original provocados, por ejemplo, por irradiación láser intensa o iones energéticos.

Esto se realiza restando la superficie alterada de la superficie plana y lisa original. Al hacer esto, puede ser necesario utilizar herramientas de software para eliminar la curvatura de la superficie y convertirla en un plano llano, como en el caso de una marca de desgaste sobre una superficie curva. Se muestra cómo el método puede aplicarse en dos áreas.

Primero, se analiza el desgaste mecánico, el desgaste y las marcas de desgaste en muestras de prueba triológicas, y segundo, en ciencia de materiales, para determinar volúmenes y profundidades de pulverización por haz de iones o ablación láser. La principal ventaja de esta técnica frente a otros métodos, como el perfilometría con punzón o una aproximación basada en el tamaño, es que es rápida y precisa, ya que el método genera una imagen tridimensional detallada. Es muy útil para medir cráteres irregulares o regulares, como los producidos por ablación láser o pulverización por haz de iones.

En segundo lugar, en el campo de la triología, las cantidades de desgaste pueden ser bastante pequeñas y las aproximaciones basadas en estimaciones simples con microscopio pueden ser engañosas. Es necesario obtener la forma real de la región deformada si se quieren informar resultados correctos. Lo mismo es válido, por ejemplo, en experimentos de proyección, donde la profundidad eliminada puede ser del orden de solo 10 nanómetros. Comience por asegurar el uso de un perfilómetro óptico y software topográfico.

Esta demostración utiliza un microscopio de examen, un microscopio de interferencia de luz blanca 100 y un software procesador de imágenes de sonda de barrido. Los siguientes pasos muestran cómo medir el volumen de una pequeña marca de desgaste en una bola, tal como se haría en triología o ciencia de la lubricación. Para hacer esta presentación lo más genérica posible, no se utiliza procesamiento automatizado.

El primer paso consiste en colocar la muestra sobre la plataforma de medición. Coloque la bola sobre la plataforma del perfilómetro utilizando un pedestal estable y conveniente. Con la característica de interés orientada hacia arriba, utilice un objetivo de baja magnificación y coloque la bola directamente debajo del lente.

Ajuste la posición vertical del espécimen de manera que las franjas de interferencia aparezcan cerca del centro de la pantalla. Para una superficie curva, oriente el espécimen de forma que las franjas queden centradas. Gire la bola manualmente o incline la platina para que la marca de desgaste entre en el campo de visión y esté también horizontal, si es posible.

Utilice lentes de aumento intermedio para obtener una imagen en la que el área desgastada de interés ocupe principalmente la pantalla. Al hacerlo, mejore la resolución, ajuste la iluminación y la altura de exploración para obtener el mejor mapa topográfico. Al recopilar datos, explore la muestra según las instrucciones del instrumento.

Rellene cualquier dato defectuoso o faltante utilizando la función de interpolación y luego guarde el mapa usando una vista isométrica 3D. Esta imagen muestra un área trenzada AB del balón. El análisis de esta superficie requiere la eliminación de la curvatura de la imagen para que la superficie original del balón aparezca plana.

El volumen de la depresión puede medirse entonces en la vista 2D; seleccione un área de interés que excluya la marca de desgaste. Aquí, el tono verde indica la región excluida. Asegúrese de que el programa de análisis de imágenes aplique la corrección de superficie a toda el área, pero que el ajuste se realice únicamente con el área de interés que ha marcado.

Seleccione la herramienta de ajuste de curva del software que eliminará la curvatura. Por ejemplo, un polinomio de quinto orden. Elija la opción para operar en el área incluida, de modo que la cicatriz no influya en la eliminación de la curvatura.

Puede ser necesario ejecutar el ajuste varias veces para asegurar que el área esté plana con buena precisión. Establezca el nivel medio en cero. La región circular más oscura es la depresión.

El volumen de la marca de desgaste se mide en el software de procesamiento de imágenes utilizando la herramienta de medición. Aquí se puede usar cualquier forma. Se utiliza una herramienta de medición elíptica azul para delimitar la marca de desgaste.

La herramienta de medición del software debe tener una función que totalice la cantidad de material por encima del plano de nivel y la cantidad de material perdido por debajo de este. En este ejemplo particular, el recuadro muestra que el volumen del material es de 136 micrones cúbicos. El volumen del vacío es de 2.733 micrones cúbicos, lo que da un desgaste neto de 2.597 micrones cúbicos.

Puede realizarse una estimación de cualquier error sistemático moviendo la región de medición lejos de la marca de desgaste y observando que el volumen de desgaste medido, que debería ser cero, es efectivamente muy pequeño. La medición del volumen de una marca de desgaste sobre una superficie plana es más sencilla que en el caso de una bola. Para comenzar el análisis, obtenga una imagen del surco o marca de desgaste.

Es una práctica general recomendable eliminar cualquier inclinación del espécimen, y las franjas de interferencia se separarán. Una vez eliminada la inclinación, escanee la muestra. Debe obtenerse una imagen de una ranura.

Esta imagen es una vista isométrica. La superficie debe estar horizontal. Si no lo está.

Enmascare el área de la cicatriz y aplique una corrección de inclinación del plano al resto de la superficie. También establezca la altura media de la superficie sin enmascarar en cero. En este ejemplo, la orientación inicial era casi perfecta.

A continuación, utilice la herramienta de medición para determinar el volumen de la trinchera. Los resultados numéricos de este ejemplo son un volumen evitado de 47.018 micrones cúbicos, un volumen de material de 68 micrones cúbicos por encima de la superficie, lo que da una pérdida neta de 46.950 micrones cúbicos. Esta es la cantidad de material que se pierde en la longitud de la marca de desgaste.

En la práctica, suele ocurrir que la superficie solo se vuelve rugosa. En un segundo ejemplo mostrado aquí, los volúmenes de vacío y de material son casi iguales entre sí y se ha eliminado muy poco material. El análisis volumétrico de un cráter producido por esputterión iónico o ablación láser es sencillo para comenzar el análisis: obtenga una imagen con el cráter cerca del centro y adquiera los datos de escaneo.

Algunos interferómetros de luz blanca pueden tener más de un modo de operación para características poco profundas. Debe utilizarse el modo de escaneo por interferometría con desplazamiento de fase. Ese es el modo que se utiliza en este ejemplo de muy poca profundidad.

En este ejemplo, se observa que el área que rodea el cráter no es perfectamente plana debido a pasos previos de procesamiento, y además el eje Z está desplazado para eliminar la influencia de la zona circundante irregular. Puede utilizarse una herramienta de recorte para restringir el área a la mostrada por el cuadro blanco. La imagen debe desplazarse de modo que el área no perturbada alrededor del perímetro se encuentre en z igual a cero.

Esto puede realizarse utilizando una herramienta de marco o de compensación Z si se desea. La alineación adecuada del cráter puede verificarse mediante una vista 3D. Ahora puede medirse el cráter utilizando la herramienta de medición estándar.

Nuevamente, se medirá el volumen de material y el volumen de vacío de la región resaltada en azul. El volumen neto del cráter es de 86.146 micrones cúbicos. Para el análisis de tiempo respecto a profundidad, se pueden utilizar varias herramientas de perfil de línea para medir la profundidad, la asimetría, la inclinación de las paredes, entre otros parámetros.

La perfilometría óptica se ha utilizado en estos ejemplos para medir muestras de prueba en ingeniería y ciencia de materiales. Este método puede emplearse también en otros campos, incluso en aplicaciones biomédicas para el estudio de superficies de cartílago. Tuvimos la idea original de este método cuando descubrimos que otras técnicas simplemente no eran adecuadas para nuestras tareas.

Por ejemplo, la microscopía de fuerza atómica tiene un rango de escaneo demasiado limitado. Estilos mecánicos. La imagen periférica es unidimensional, y la microscopía electrónica de barrido en muchos casos proporciona esencialmente solo imágenes planas.

Esta demostración visual del método es útil porque da a las personas no familiarizadas con la técnica una idea de cómo funciona. Esperamos que esto impulse a otros a aplicar la interferometría de luz blanca en su propio campo de estudio.