Caractérisation des modifications de surface par interférométrie en lumière blanche: Applications de pulvérisation ionique, ablation laser, tribologie et expériences

La profilométrie optique est une méthode sans contact permettant de mesurer les hauteurs de surface d'objets de grande ou petite taille avec une précision submicrométrique. L'objectif général de l'expérience suivante est d'utiliser un microscope interférométrique à lumière blanche comme méthode rapide pour mesurer la topographie de petites zones, ce qui permet de quantifier la quantité de matériau perdue lors de processus d'usure mécanique ou de gravure de matériaux, tels que les cratères générés par pulvérisation ionique ou l'ablation laser. Cette mesure est réalisée en obtenant d'abord des profils tridimensionnels des surfaces testées à l'aide d'un microscope à interférence de lumière blanche.

Une lumière blanche incohérente formera des figures d'interférence distinctes. Ce phénomène se produit uniquement lorsque les retards de longueur de trajet sont identiques, ce qui est alors largement accessible. Des outils logiciels de mesure sont utilisés pour déterminer les modifications de la surface initiale provoquées, par exemple, par une irradiation laser intense ou par des ions énergétiques.

Cela se fait en soustrayant la surface altérée de la surface plane et lisse d'origine. Lors de cette opération, il peut être nécessaire d'utiliser des outils logiciels pour supprimer la courbure de la surface afin de la rendre plane, comme dans le cas d'une trace d'usure sur une surface courbe. On montre comment cette méthode peut être appliquée à deux domaines.

Premièrement, l'analyse de l'usure mécanique, des usures et des traces d'usure sur des échantillons d'essai triologiques est réalisée, puis, dans un second temps, en science des matériaux, pour déterminer les volumes et les profondeurs dus à la pulvérisation par faisceau d'ions ou à l'ablation laser. Le principal avantage de cette technique par rapport à d'autres méthodes, telles que la stylométrie ou la profilométrie, ou à une approximation fondée sur la taille, est qu'elle est rapide et précise, car la méthode produit une image tridimensionnelle détaillée. Elle est très utile pour mesurer des cratères réguliers ou irréguliers, tels que ceux résultant de l'ablation laser ou de la pulvérisation par faisceau d'ions.

Deuxièmement, dans le domaine de la triologie, les quantités d'usure peuvent être très faibles et des approximations fondées sur des estimations au microscope simple peuvent être trompeuses. Il est nécessaire d'obtenir la forme réelle de la région déformée afin de rapporter des résultats corrects. Cela s'applique également, par exemple, aux expériences de projection où la profondeur enlevée peut être de l'ordre de seulement 10 nanomètres. Commencez par obtenir l'utilisation d'un profilomètre optique et d'un logiciel topographique.

Cette démonstration utilise un microscope d'examens microscopiques, un microscope interférométrique à lumière blanche 100 et un logiciel de traitement d'images à sonde balayante. Les étapes suivantes montrent comment mesurer le volume d'une petite trace d'usure sur une bille, comme cela serait fait en tribologie ou en science de la lubrification. Afin de rendre cette présentation aussi générale que possible, aucun traitement automatisé n'est utilisé.

La première étape consiste à positionner l'échantillon sur la platine de mesure. Placez la bille sur la platine du profilomètre à l'aide d'un support stable et pratique. Avec la caractéristique d'intérêt orientée vers le haut, utilisez un objectif de faible grossissement et positionnez la bille directement sous l'objectif.

Réglez la position verticale de l'échantillon de manière à ce que les franges d'interférence apparaissent près du centre de l'écran. Pour une surface courbe, orientez l'échantillon de sorte que les franges soient centrées. Faites tourner la bille à la main ou inclinez la platine afin que la trace d'usure apparaisse dans le champ de vision et soit également horizontale, si possible.

Utilisez des lentilles de grossissement intermédiaire pour obtenir une image dans laquelle la zone usée d'intérêt remplit largement l'écran. Ce faisant, améliorez la résolution, ajustez l'illumination et la hauteur de balayage afin d'obtenir la meilleure carte topographique possible. Lors de la collecte des données, balayez l'échantillon conformément aux instructions de l'appareil.

Remplissez les données incorrectes ou manquantes à l’aide de la fonction d’interpolation, puis enregistrez la carte en utilisant une vue isométrique 3D. Cette image montre une zone tressée AB du ballon. L’analyse de cette surface nécessite la suppression de la courbure de l’image afin que la surface d’origine du ballon apparaisse plane.

Le volume de la dépression peut ensuite être mesuré sur la vue 2D ; sélectionnez une zone d’intérêt excluant la trace d’usure. Ici, la zone colorée en vert indique la région exclue. Veillez à ce que le logiciel d’analyse d’image applique la correction de surface à toute la zone, mais que l’ajustement soit effectué uniquement à partir de la zone d’intérêt que vous avez définie.

Sélectionnez l'outil logiciel d'ajustement de courbe qui supprimera la courbure. Par exemple, un polynôme de degré cinq. Choisissez l'option d'agir sur la zone incluse afin que la cicatrice n'influence pas la suppression de la courbure.

Il peut être nécessaire d'exécuter l'ajustement plusieurs fois pour s'assurer que la zone est bien plane avec une bonne précision. Réglez le niveau moyen à zéro. La région circulaire plus foncée correspond à la dépression.

Le volume de la trace d'usure est mesuré dans le logiciel de traitement d'image à l'aide de l'outil de mesure. Toute forme peut être utilisée ici. Un outil de mesure elliptique bleu est utilisé pour entourer la trace d'usure.

L'outil de mesure du logiciel doit posséder une fonction qui calcule la quantité de matériau située au-dessus du plan de référence et la quantité de matériau perdue en dessous de ce plan. Dans cet exemple particulier, l'encart indique que le volume de matériau est de 136 micromètres cubes. Le volume de vide est de 2 733 micromètres cubes, ce qui donne une usure nette de 2 597 micromètres cubes.

On peut estimer toute erreur systématique en déplaçant la zone de mesure hors de la trace d'usure et en vérifiant que le volume d'usure mesuré, qui devrait être nul, est effectivement très faible. La mesure du volume d'une trace d'usure sur une surface plane est plus simple que dans le cas d'une bille. Pour commencer l'analyse, obtenir une image de la rainure ou de la trace d'usure.

Il est généralement recommandé d'éliminer tout inclinaison de l'échantillon, ce qui permet une séparation des franges d'interférence. Une fois l'inclinaison supprimée, balayer l'échantillon. Une rainure doit être visualisée.

Cette image est une vue isométrique. La surface doit être horizontale. Si ce n'est pas le cas.

Masquer la zone de la cicatrice et appliquer une correction d'inclinaison plane au reste de la surface. De plus, régler la hauteur moyenne de la surface non masquée à zéro. Dans cet exemple, l'orientation initiale était presque parfaite.

Ensuite, utilisez l'outil de mesure pour déterminer le volume de la tranchée. Les résultats numériques de cet exemple indiquent un volume évité de 47 018 micromètres cubes, un volume de matériau de 68 micromètres cubes au-dessus de la surface, ce qui donne une perte nette de 46 950 micromètres cubes. C'est la quantité de matériau perdue sur la longueur de la trace d'usure.

En pratique, il arrive souvent que la surface soit simplement rendue rugueuse. Dans un deuxième exemple présenté ici, les volumes de vide et de matériau sont presque égaux l'un à l'autre et peu de matériau a effectivement été enlevé. L'analyse volumétrique d'un cratère formé par attaque ionique ou par ablation laser est simple à mettre en œuvre : pour commencer l'analyse, obtenez une image avec le cratère près du centre et acquérez les données de balayage.

Certains interféromètres à lumière blanche peuvent posséder plus d'un mode de fonctionnement pour les caractéristiques peu profondes. Il faut utiliser le mode de balayage par interférométrie à décalage de phase. C'est le mode utilisé dans cet exemple très peu profond.

Dans cet exemple, on observe que la zone entourant le cratère n'est pas parfaitement plane en raison d'étapes de traitement antérieures, et que l'axe Z est décalé afin d'éliminer l'influence de la zone environnante irrégulière. Un outil de rognage peut être utilisé pour restreindre la zone à celle indiquée par la boîte blanche. L'image doit être décalée de sorte que la zone non perturbée située autour du périmètre se trouve à z égal à zéro.

Cela peut être effectué à l'aide d'un outil de cadre ou de décalage Z, si souhaité. L'alignement correct du cratère peut être vérifié à l'aide d'une vue 3D. Le cratère peut désormais être mesuré à l'aide de l'outil de mesure standard.

À nouveau, la zone surlignée en bleu aura son volume de matière et son volume de vide mesurés. Le volume net du cratère est de 86 146 micromètres cubes. Pour l'analyse temps-profondeur, divers outils de profil linéaire peuvent être utilisés pour mesurer la profondeur, l'asymétrie, l'inclinaison des parois, etc.

La profilométrie optique a été utilisée dans ces exemples pour mesurer des échantillons-test en ingénierie et en science des matériaux. Cette méthode peut être employée dans d'autres domaines, notamment en biomédical pour l'étude des surfaces du cartilage. Nous avons eu l'idée de cette méthode lorsque nous avons constaté que d'autres techniques n'étaient tout simplement pas adaptées à nos tâches.

Par exemple, la microscopie à force atomique présente des limites trop importantes en ce qui concerne ses plages de balayage. Les modalités mécaniques. L'imagerie périphérique est uniquement unidimensionnelle, et la microscopie électronique à balayage ne fournit dans de nombreux cas que des images essentiellement plates.

Cette démonstration visuelle de la méthode est utile car elle donne aux personnes peu familières avec la technique une idée de son fonctionnement. Espérons qu'elle encouragera d'autres chercheurs à appliquer l'interférométrie en lumière blanche à leur propre domaine d'étude.