Caratterizzazione delle modificazioni superficiali di White Interferometria Luce: Applicazioni in Ion Sputtering, ablazione laser, ed esperimenti Tribologia

La profilometria ottica è un metodo senza contatto per misurare le altezze superficiali di oggetti grandi o piccoli con un'accuratezza sub-micrometrica. L'obiettivo generale dell'esperimento seguente è utilizzare un microscopio interferometrico a luce bianca come metodo rapido per misurare la topografia di piccole aree, consentendo così la misurazione della quantità di materiale perso durante processi di usura meccanica o durante processi di incisione del materiale come crateri da sputtering ionico o ablazione laser. Questa misurazione viene effettuata acquisendo innanzitutto profili tridimensionali delle superfici in esame mediante un microscopio a interferenza a luce bianca.

La luce bianca incoerente formerà schemi di interferenza distinti. Solo quando i ritardi di lunghezza del percorso sono identici, risulteranno ampiamente disponibili. Vengono utilizzati strumenti software di misurazione per determinare le modifiche alla superficie originale causate, ad esempio, da irradiazione laser intensa o da ioni energetici.

Questo viene effettuato sottraendo la superficie alterata da quella originale, piatta e liscia. Durante questa operazione, potrebbe essere necessario utilizzare strumenti software per rimuovere la curvatura dalla superficie al fine di renderla un piano piatto, come nel caso di una traccia d'usura su una superficie curva. Viene mostrato come il metodo possa essere applicato in due aree.

Prima, si analizza l'usura meccanica, l'usura e le tracce di usura su campioni di prova tri-logici, e in secondo luogo, nella scienza dei materiali, si determinano i volumi e le profondità di sputtering con fascio ionico o di ablazione laser. Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ad altri metodi, come la profilometria a stilo o una stima basata sulla dimensione, è che è rapida e accurata, poiché il metodo produce un'immagine tridimensionale dettagliata. È molto utile per misurare crateri regolari o irregolari, come quelli derivanti da ablazione laser o da sputtering con fascio di ioni.

In secondo luogo, nel campo della triologia, le quantità di usura possono essere molto ridotte e stime basate su semplici valutazioni al microscopio potrebbero essere fuorvianti. È necessario ottenere la forma effettiva della zona deformata per poter riportare risultati corretti. Lo stesso vale, ad esempio, negli esperimenti di scheggiatura, in cui lo spessore rimosso potrebbe essere dell'ordine di soli 10 nanometri. Iniziare assicurandosi l'uso di un profilometro ottico e di un software topografico.

Questa dimostrazione utilizza un microscopio a interferenza con luce bianca da esame e un software per l'elaborazione di immagini a scansione con sonda. I seguenti passaggi illustrano come misurare il volume di una piccola traccia d'usura su una sfera, come si farebbe in tribologia o nella scienza della lubrificazione. Per rendere questa presentazione il più generica possibile, non viene utilizzato alcun processo automatizzato.

Il primo passo consiste nel posizionare il campione sulla piattaforma di misurazione. Posizionare la sfera sulla piattaforma del profilometro utilizzando un apposito supporto stabile. Con la caratteristica di interesse rivolta verso l'alto, utilizzare un obiettivo a bassa ingrandimento e posizionare la sfera direttamente al di sotto della lente.

Regolare la posizione verticale del campione in modo che le frange di interferenza appaiano vicino al centro dello schermo. Per una superficie curva, orientare il campione in modo che le frange siano centrate. Ruotare manualmente la sfera o inclinare il palchetto in modo che la traccia d'usura entri nel campo visivo ed eventualmente sia anche orizzontale.

Utilizzare obiettivi di ingrandimento intermedio per ottenere un'immagine in cui l'area usurata di interesse occupi prevalentemente lo schermo. In questo modo, si migliora la risoluzione; regolare l'illuminazione e l'altezza di scansione al fine di ottenere la migliore mappa topografica possibile. Durante l'acquisizione dei dati, scansionare il campione seguendo le istruzioni dello strumento.

Compilare eventuali dati mancanti o errati utilizzando la funzione di interpolazione, quindi salvare la mappa utilizzando una vista isometrica 3D. Questa immagine mostra un'area intrecciata AB della palla. L'analisi di questa superficie richiede la rimozione della curvatura dell'immagine in modo che la superficie originale della palla appaia piatta.

Il volume della depressione può quindi essere misurato nella vista 2D, selezionando un'area di interesse che escluda il segno di usura. In questo caso, la sfumatura verde indica la regione esclusa. Assicurarsi che il programma di analisi dell'immagine applichi la correzione della superficie all'intera area, ma che l'adattamento venga effettuato utilizzando soltanto l'area di interesse precedentemente delimitata.

Selezionare lo strumento software di adattamento della curva che rimuoverà la curvatura. Ad esempio, un polinomio di quinto ordine. Scegliere l'opzione di operare sull'area inclusa in modo che la cicatrice non influenzi la rimozione della curvatura.

Potrebbe essere necessario eseguire più volte l'adattamento per assicurare che l'area sia piatta con buona precisione. Impostare il livello medio a zero. La regione circolare più scura è la depressione.

Il volume della traccia d'usura viene misurato nel software di elaborazione delle immagini utilizzando lo strumento di misura. È possibile utilizzare qualsiasi forma. Uno strumento di misura ellittico di colore blu viene utilizzato per delimitare la traccia d'usura.

Lo strumento di misura del software dovrebbe avere una funzione che calcola il volume totale del materiale al di sopra del piano di riferimento e la quantità di materiale perso al di sotto di questo. In questo esempio specifico, l'immagine ingrandita mostra che il volume del materiale è di 136 micrometri cubi. Il volume della cavità è di 2.733 micrometri cubi, il che corrisponde a un'usura netta di 2.597 micrometri cubi.

Un'indicazione di eventuali errori sistematici può essere ottenuta spostando la regione di misura lontano dalla traccia d'usura e verificando che il volume d'usura misurato, che dovrebbe essere nullo, sia effettivamente molto piccolo. La misurazione del volume di una traccia d'usura su una superficie piana è più semplice rispetto al caso di una sfera. Per iniziare l'analisi, acquisire un'immagine della scanalatura o della traccia d'usura.

È generalmente buona pratica rimuovere qualsiasi inclinazione del campione, in modo che le frange di interferenza si allontanino l'una dall'altra. Una volta rimossa l'inclinazione, eseguire la scansione del campione. Dovrebbe essere visualizzata una scanalatura.

Questa immagine è una vista assonometrica. La superficie deve essere orizzontale. Se non lo è.

Mascherare l'area della cicatrice ed applicare una correzione di inclinazione del piano al resto della superficie. Impostare inoltre l'altezza media della superficie non mascherata a zero. In questo esempio, l'orientamento iniziale era quasi perfetto.

Successivamente, utilizzare lo strumento di misura per determinare il volume della scanalatura. I risultati numerici di questo esempio mostrano un volume evitato di 47.018 micron cubici, un volume di materiale di 68 micron cubici al di sopra della superficie, con una perdita netta di 46.950 micron cubici. Questa è la quantità di materiale persa lungo la traccia di usura.

In pratica, spesso la superficie viene semplicemente irruvidita. In un secondo esempio mostrato qui, i volumi di vuoto e del materiale sono quasi uguali tra loro e solo una piccola quantità di materiale è stata effettivamente rimossa. L'analisi volumetrica di una cratera ottenuta mediante sputtering ionico o ablazione laser è semplice: per iniziare l'analisi, si ottiene un'immagine con la cratera vicino al centro e si acquisiscono i dati di scansione.

Alcuni interferometri a luce bianca possono avere più di una modalità di funzionamento per caratteristiche poco profonde. Deve essere utilizzata la modalità di scansione a interferometria con spostamento di fase. Questa è la modalità utilizzata in questo esempio estremamente poco profondo.

In questo esempio, si osserva che l'area circostante il cratere non è perfettamente piatta a causa dei passaggi di lavorazione precedenti e che l'asse Z è stato spostato per eliminare l'influenza della zona circostante irregolare. È possibile utilizzare uno strumento di ritaglio per limitare l'area a quella indicata dal riquadro bianco. L'immagine deve essere spostata in modo che l'area indisturbata attorno al perimetro si trovi a z uguale a zero.

Questo può essere eseguito utilizzando uno strumento di spostamento del telaio o dello Z, se desiderato. L'allineamento corretto del cratere può essere verificato mediante una vista 3D. Il cratere può ora essere misurato utilizzando lo strumento di misurazione standard.

Anche in questo caso, la regione evidenziata in blu avrà misurati il volume del materiale e il volume dei vuoti. Il volume netto del cratere è di 86.146 micrometri cubi. Per l'analisi della profondità in funzione del tempo, possono essere utilizzati diversi strumenti di profilo lineare per misurare la profondità, l'asimmetria, l'inclinazione delle pareti e così via.

La profilometria ottica è stata utilizzata in questi esempi per misurare campioni di prova in ingegneria e scienza dei materiali. Il metodo può essere impiegato anche in altri settori, compresi quelli biomedici, per lo studio delle superfici della cartilagine. Abbiamo avuto per la prima volta l'idea di questo metodo quando abbiamo scoperto che altre tecniche non erano adatte ai nostri compiti.

Ad esempio, la microscopia a forza atomica è troppo limitata nei suoi intervalli di scansione. Stili meccanici. L'immagine periferica è unidimensionale, e la microscopia elettronica a scansione in molti casi fornisce essenzialmente solo immagini piatte.

Questa dimostrazione visiva del metodo è utile perché fornisce a chi non conosce la tecnica un'idea del suo funzionamento. Si spera che incoraggi altre persone ad applicare l'interferometria a luce bianca al proprio campo di studio.