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 l'altezza della superficie di oggetti grandi o piccoli con una precisione inferiore al micron. L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di utilizzare un microscopio interferometrico a luce bianca come metodo rapido per misurare la topografia di piccole aree, che consente di misurare la quantità di materiale perso durante i processi di usura meccanica o durante i processi di incisione dei materiali come i crateri di sputtering ionico o l'ablazione laser. Questa misurazione si ottiene ottenendo prima i profili tridimensionali delle superfici di prova utilizzando un microscopio a interferenza a luce bianca.

La luce bianca incoerente formerà modelli di interferenza distinti. Solo quando i ritardi della lunghezza del percorso sono gli stessi, allora ampiamente disponibile. Gli strumenti di misurazione software vengono utilizzati per determinare i cambiamenti rispetto alla superficie originale causati, ad esempio, da un'intensa irradiazione laser o da ioni energetici.

Questo viene fatto sottraendo la superficie modificata dalla superficie liscia piana originale. Quando si esegue questa operazione, potrebbe essere necessario utilizzare strumenti software per rimuovere la curvatura dalla superficie per renderla un piano piatto, ad esempio per una cicatrice da usura su una superficie curva. Viene mostrato come il metodo possa essere applicato in due aree.

In primo luogo, vengono analizzate l'analisi dell'usura meccanica, l'usura, le cicatrici da usura su campioni di prova trilogici e, in secondo luogo, nella scienza dei materiali per determinare i volumi e le profondità di sputtering del fascio ionico o di ablazione laser. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ad altri metodi come lo stilo, la profilometria o un'approssimazione basata sulle dimensioni è che è veloce e precisa perché il metodo produce un'immagine tridimensionale dettagliata. È molto utile per misurare crateri irregolari o regolari, come ad esempio dall'ablazione laser o dallo spruzzo di fascio di ferro.

In secondo luogo, nel campo della triologia, le quantità di usura possono essere piuttosto piccole e le approssimazioni basate su semplici stime al microscopio possono essere fuorvianti. È necessario ottenere la forma effettiva della regione deformata se si vogliono riportare risultati corretti. Lo stesso vale, ad esempio, per gli esperimenti di spattering in cui la profondità rimossa può essere dell'ordine di soli 10 nanometri. Iniziare garantendo l'uso di un profilometro ottico e di un software topografico.

Questa dimostrazione si avvale di un micro esame, di un microscopio a interferenza a luce bianca 100 e di un software di elaborazione delle immagini con sonda a scansione. I passaggi seguenti dimostrano come misurare il volume di una piccola cicatrice da usura su una sfera come si farebbe in trilogia o nella scienza della lubrificazione. Per rendere questa presentazione il più generica possibile, non viene utilizzata alcuna elaborazione automatizzata.

Il primo passo consiste nel posizionare il campione sul tavolino di misurazione. Posizionare la sfera sul tavolino del profilometro utilizzando un piedistallo comodo e stabile. Con l'elemento di interesse rivolto verso l'alto, utilizzare un obiettivo a basso ingrandimento e posizionare la sfera direttamente sotto l'obiettivo.

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. Ruota la palla a mano o inclina il palco in modo che la cicatrice da usura sia visibile e sia anche orizzontale, se disponibile.

Utilizzare lenti a ingrandimento intermedio per ottenere un'immagine in cui l'area di interesse usurata riempie in gran parte lo schermo. In questo modo, migliora la risoluzione, regola l'illuminazione e l'altezza di scansione per ottenere la migliore mappa topografica. Durante la raccolta dei dati, scansionare il campione secondo le istruzioni dello strumento.

Inserire eventuali dati errati o mancanti 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 sulla vista 2D, selezionare un'area di interesse che escluda la cicatrice da usura. Qui, la tonalità verde denota la regione esclusa. Assicurarsi che il programma di analisi delle immagini applichi la correzione della superficie all'intera area, ma che l'adattamento venga eseguito utilizzando solo l'area di interesse contrassegnata.

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

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

Il volume della cicatrice da usura viene misurato nel software di elaborazione delle immagini utilizzando lo strumento di misurazione. Qualsiasi forma può essere utilizzata qui. Uno strumento di misurazione ellittico blu viene utilizzato per circondare la cicatrice da usura.

Lo strumento di misurazione software dovrebbe avere una funzione che totalizza la quantità di materiale al di sopra del piano di livellamento e la quantità di materiale perso al di sotto del livello. In questo particolare esempio, il riquadro mostra che il volume del materiale è di 136 micron cubi. Il volume vuoto è di 2.733 micron cubi con un'usura netta di 2.597 micron cubi.

Una stima di qualsiasi errore sistematico può essere effettuata allontanando la regione di misurazione dalla cicatrice da usura e notando che il volume di usura misurato, che dovrebbe essere zero, è effettivamente molto piccolo. La misurazione del volume di una cicatrice da usura su una superficie piana è più semplice rispetto a quella di una palla. Per iniziare l'analisi, ottenere un'immagine della scanalatura o della cicatrice della trincea.

In genere è buona norma rimuovere l'inclinazione del campione e le frange di interferenza si allargheranno. Quando l'inclinazione è stata rimossa, scansionare il campione. Dovrebbe essere ripreso un solco.

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

Maschera l'area della cicatrice e applica una correzione dell'inclinazione del piano al resto della superficie. Impostate anche l'altezza media della superficie non mascherata su zero. In questo esempio, l'orientamento iniziale era quasi perfetto.

Quindi, utilizzare lo strumento di misurazione per determinare il volume della trincea. I risultati numerici di questo esempio sono un volume evitato di 47.018 micron cubi, un volume di materiale di 68 micron cubi sopra la superficie, con una perdita netta di 46.950 micron cubi. Questa è la quantità di materiale che viene persa nella lunghezza della cicatrice da usura.

In pratica, spesso la superficie è solo irruvidita. In un secondo esempio mostrato qui, i volumi del vuoto e del materiale sono quasi uguali tra loro e poco materiale è stato effettivamente rimosso. L'analisi del volume di un cratere ionico sputter o ablato con laser è semplice per iniziare l'analisi, ottenere un'immagine con il cratere vicino al centro e acquisire i dati di scansione.

Alcuni interferometri a luce bianca possono avere più di una modalità di funzionamento per le caratteristiche poco profonde. Dovrebbe essere utilizzata la modalità di scansione dell'interferometria a spostamento di fase. Questa è la modalità utilizzata in questo esempio molto superficiale.

In questo esempio, si vede che l'area circostante il cratere non è perfettamente piatta a causa delle precedenti fasi di lavorazione, e anche l'asse Z è sfalsato per eliminare l'influenza dell'area circostante irregolare. Uno strumento di ritaglio può essere utilizzato per limitare l'area a quella mostrata dalla casella bianca. L'immagine deve essere sfalsata in modo che l'area indisturbata attorno al perimetro sia a z uguale a zero.

Questo può essere fatto utilizzando un telaio o uno strumento di offset Z, se lo si desidera. Il corretto allineamento del cratere può essere verificato utilizzando una vista 3D. Il cratere può ora essere misurato utilizzando lo strumento di misurazione standard.

Anche in questo caso, il volume del materiale e il volume dei vuoti della regione evidenziata in blu verranno misurati. Il volume netto del cratere è di 86.146 micron cubi. Per l'analisi del tempo di profondità, è possibile utilizzare vari strumenti di profilo della linea per misurare la profondità, l'asimmetria, l'inclinazione della parete e così via.

La profilometria ottica è stata utilizzata in questi esempi per misurare campioni di prova per l'ingegneria e la scienza dei materiali. Il metodo può essere utilizzato in altri campi, anche biomedicali per lo studio delle superfici cartilaginee. Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta 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. Le immagini periferiche sono solo unidimensionali e l'elettromicroscopia a scansione in molti casi fornisce essenzialmente solo immagini piatte.

Questa dimostrazione visiva del metodo è utile perché dà alle persone che non hanno familiarità con la tecnica un'idea di come funziona. Si spera che porterà altri ad applicare l'interferometria a luce bianca al proprio campo di studio.