Name: 白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-02-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 47 s
Description: 学ぶ白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション。イオンスパッタリング、レーザーアブレーション、トライボロジー実験における応用を含む材料科学の非接触測定手法です。

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照射GaAs試料は、イリノイ大学シカゴ校のヤン崔によって提供されました。この作業は、番号DE-AC02-06CH11357 UChicagoアルゴンヌ、LLCおよび米国エネルギー省と米航空宇宙局（NASA）によって助成NNH08AH761とNNH08ZDA001Nを通じて、契約DE-AC02の下で、米国エネルギー省の車両技術の事務所との契約の下でサポートされていました-06CH11357。電子顕微鏡は、アルゴンヌ国立研究所、契約UChicagoアルゴンヌ、LLCによって、DE-AC02-06CH11357下で作動サイエンス研究所の米国エネルギー省の事務所で材料研究のための電子顕微鏡センターで行われた。

1。一般WLIスキャンのためのハードウェア·アライメント WLIを通じて定量的な情報を取得するには、次の手順は、ガイドラインとして機能することができる。これは、オペレータが干渉計の動作の基本的な知識を持っていると仮定します。ガイドラインは関係なく、特定の楽器の一般的です。いくつかの調査のため、標本は平らになります。他人のために、試料は湾曲していてもよい。 <ol><li>機能（イオンスパッタクレーター、イオンビーム/アブレーションされたスポット、または傷を着用）がまっすぐ上を向いて一緒にステージにサンプルを置きます。低倍率の対物レンズを使用し、その上に測定器を当てる。最高の解像度の関心の対象は、主に画面を埋めた画像を得るために、ボールの例については、 図2を参照してください。 </li><li>干渉縞が興味のある機能の近くに表示されるように、試料の垂直位置を調整します。平らな表面のためには、試料は飛行機がperpendiculあるように傾いていることが望ましい光軸にarは、干渉縞の間隔が大きくなり、すなわち 。曲面（ 例えばボール）は、標本は、その縞が一元的に、 図3に示すように、機能の周りに配置されている指向であるべきである。 </li><li>計器の指示に従ってスキャンを入手してください。それは最高の地形図を得るためには、照明やスキャン高さを調整する必要があるかもしれません。補間関数を使用して、不良または欠落しているデータを入力した後、地形図を保存します。 </li></ol> 2。一般的なソフトウェアを使用したボリュームの分析トライボロジーでは、試験機は、しばしばこのようなスライドやフラットまたは別のシリンダーに対して回転させ、ボールやシリンダーなどの非等角接触テストのジオメトリを採用しています。時には材料を別の面から譲渡することができ、この &quot;転写層の&quot;上に上の材料の余剰として測定されることになりますが、通常、材料は、摺動接触した時点で失われている連絡標本の電子。摩耗痕は本質的に3次元かつ不規則であるため、光学的形状測定は、正確な摩耗量の測定値を得るのに適した唯一の技術である - 近似が有効ではありません。目標は、テストが完了した時点で接触している部位で（または獲得）失われる可能性があり、材料の非常に少量を測定することです。 測定の基本原理は、邪魔されずに表面のレベルで数学の平面を定義することである：表面解析ソフトウェアはどのようなこのレベルより上の &quot;固体表面が&quot;（ゼロレベル）が存在していることを前提として &quot;空&quot; &quot;固体表面&quot;の面の下に統合された除去体積を測定する分析関数は次のように呼ぶことにする &quot;ボイドボリューム。&quot; &quot;固体表面&quot;（破片の蓄積など ）の平面の上に統合されたボリュームを測定する機能を&quot;物量&quot;と呼ぶ。 リアル邪魔されずに表面AR電子めったに完全に滑らかでフラット。小さな特徴を測定する際の最大の精度を得るには、それは関心領域（AOI）を定義することをお勧めします。そのうちの外側の領域は、分析から除外されます。 AOIは表面の凹凸が乱れた領域から本当にいない計算に追加ボリュームを貢献するため、測定領域を制限するために使用します。 3。平らな表面 - 機械的摩耗解析<ol><li>トレンチ瘢痕やうつ病と平坦面の音量解析は、機械的な摩耗、イオンビームスパッタリング、またはレーザアブレーションにより生成されたかどうか、実行するのは簡単です。ポリッシュ仕上げのステンレススティール表面上の機械的傷跡を示し、 図4左のような画像を取得します。うつ病を除外AOIを選択し、チルトおよび/または曲率の除去機能は、最大平坦度に邪魔されずに表面を平らにすることが可能であるものを使用します。その後、Z =への平均表面高さを設定するためのソフトウェアを使用0 図4右の手順の後に平らな面の上に傷跡の疑似ビューです。このビューでは除外 &quot;空隙容量&quot;が赤着色されている。オレンジが高い領域を示しながら、この配色で、ダークブラウンは、低い部分を表します。 </li><li> AOIを削除します。ソフトウェアは機能を測定する自動化されたボリュームを持っている場合は、傷跡の上の測定領域を配置。このソフトウェアでは、測定機能はタリー&quot;は無効となり、材料体積&quot;は、図5の青の濃淡で示されます。合計摩耗から減算平面上の &quot;物量&quot;である &quot;ボイドボリューム。&quot;これは乱れた表面の体積変化である。 （この機能はありませんが、ヒストグラムがない場合、または明らかに表面上に隆起または表面下にあるされている領域可視化するソフトウェアについては、3.2と3.3のステップに進み進んでください。） </li></ol>次の3つのステップで、摩耗量を測定する別の方法を説明します。 <ol start="3"><li> AOIを反転ステップ3.1から瘢痕領域が（傷が含まれるようになりました）を分析することができるようにします。 </li><li>データのヒストグラムを生成します。ヒストグラムは、縦軸の発生頻度対横軸の垂直方向の高さを示すグラフである。 Z = 0の位置にします（ 図6左）で行われ1カーソル。これは、ヒストグラムのピーク時にはないかもしれません。この図では、カーソルは、選択的に面の下だけ不足している物質を分析するために設定されている。ソフトウェアは、2つのカーソル間の全容量を統合しています。赤い彩色面積が省略されているかを示しています。 図6にあるオレンジ色の染めていない領域は右側面の下にあります。ヒストグラム機能は、表面から失われた物質を測定するために示されているように位置付けカーソルで &quot;ボイドボリューム&quot;番号を生成する必要があります。 </li><li>同じヒストグラムを用いて、Z = 0の高さ位置（ 図7左）、反対側の端にある他に、他のカーソルにこの時間を置きます。のオレンジ色の染めていない領域<strオング&gt;図7は、右側面の上にある。ヒストグラム機能は、平らな面の上に隆起した&quot;物質量&quot;数、 すなわち余剰材料を生成する必要があります。合計摩耗から減算 &quot;物量&quot; &quot;空隙体積、&quot;ステップ3.2と同じです。ヒストグラム法は、ステップ3.2と同じ摩耗量を与える必要がありますが、それは上げ下げの材料の分布に関する追加の詳細を提供し、この地域の分布のマップを示す。 </li></ol>上記の例では摩耗痕から失われた正味の物質が存在しない代わりに、物質的な利益がある。これは珍しいですが、材料には、1つのテスト対向面から別のものに転送するときに時々発生します。 同じ &quot;平らな表面特性&quot;アプローチは、以下の実施例であると考えイオンスパッタリングおよびレーザーアブレーションを用いた実験では削除ボリュームを得るために有益です。 4。平らな表面 - クレーターとイオンビームプロスパッタ率を推定するために、タイム·ツー·深さ校正を実行するにはファイルの測定計量の直接または石英微バランス、8、9に基づいて質量損失のメソッドを使用して、スパッタリング収率を推定するために知られており、広く用いられる方法に代わるものとして、我々は、WLI法はスパッタイオンビームスポット/の直接可視化するために有用であることがわかりクレーターは静的スパッタリング/ラスターイオンビームの走査によって得られた図8は、そのクレーターに対して垂直に入射する静的5 keVで、150 eVのAr +イオンビームのスポット（緑実線と青い点線）の長手方向の断面を比較する（オリーブオープンサークルやシアンオープンダイヤモンド）は、100×100ピクセルCuの表面（110）単結晶上に同じイオンビームのデジタルラスタ走査により得られる。静的ビームが重なっに対応する曲線は、イオンビームのラスタスキャンが中にクレーターを生成する方法を示すために、クレーターの一方の端は、dをスパッタプロファイリングをepth。 5。平らな表面 - 超高速レーザーアブレーションのキャラクタリゼーション超高速レーザーアブレーションは、熱影響部を最小限に抑えながら、固体から材料を除去するための方法として認識されています10このプロセスは、高アスペクト比と、残りの材料への最小限の損傷（割れ、酸化）と高レートの微細加工を可能にし、可能性を開くさらに最近では11は 、透明材料の効率的なアブレーションの、関心は分析ツールとして超高速アブレーションを使用して開発しました。12月15日アブレーションプロセスの高非線形性も大幅に照射スポットサイズ以下アブレーションされたスポットサイズを縮小するための手段を提供しています（一般的に実証されているように、1 / e 2の定義による）であっても回折限界以下のように図16深さ分解能、最高のイオンビーム法と競争力のあるものではないが、&lt;20 nmのかもしれません。除去率を容易に向上させることができる非線形材料のミクロンを介して非常に急速なプロファイリングが可能になるように、レーザフルエンスを増加させることによって。理想的には、超高速アブレーションにより材料除去を特徴づけることは、迅速かつ定量的かつ十分に校正され技術、WLIによって満たさすべての特性を必要とします。 図9は、≈8μmおよび0.4に対応したフルエンスを有し、1.0 J / cm 2のスポットサイズに集束超（60 fsの、800nm）のレーザ光 ​​によるGaAsの反復的なアブレーションにより形成された隣接する二つのクレーターの擬似カラー画像を示しています。 6。曲面 - 機械的摩耗解析湾曲した定期的な表面の体積分析（ボールまたはシリンダー）がフラットのものと似ていますが、曲の削除が必要になります。次のプロトコルは、鋼球の円形の摩耗痕の分析を示している。ボールから失われたボリュームを見つけるためにそれがでボールを変換するために数学的な処理を行う必要があるインデント付きのフラット面に平坦な領域は、平らな面に、3章で行ったようにインデントの量を測定する。ボール上の摩耗痕はその後ヒストグラム手法で​​は、まず単純な自動技術を用いて、測定されることになります。 <ol><li> 図10左はボールの摩耗痕の等角図を示す。摩耗痕を除外AOIを選択して、それが邪魔されない平坦な領域の中央で着用うつ病になるように表面を変形させるソフトカーブフィッティングツールを選択します。曲の削除が反復手法かもしれないので、それは邪魔されない領域がレベル確度をNMに平らになるように、フィット感を複数回実行する必要があるかもしれません。摩耗痕のいずれかの目に見える不均一性の外は問題があることを示し、計算が正しくありません。 AOIで、Z = 0は正しく、Z = 0 図10右は曲の削除と設定の後に傷跡の擬似カラー図を示し外に傷跡の平均高さを設定摩耗したエリアをマスク。 </li><li> 図11に示すように、摩耗を分析するために、可能な場合は、測定ツールを使用します。合計摩耗量から差し引く &quot;物量&quot;である &quot;ボイドボリューム。&quot; </li></ol>次の手順では、摩耗量を測定する別の方法を説明します。 <ol start="3"><li> AOI反転ステップ3.3と同様にして、そのように摩耗痕は含まれています。データのヒストグラムを生成します。 Z = 0の位置に置き1カーソル（ 図12左）。 図12にあるオレンジ色の染めていない領域が右側面の下にあります。ヒストグラム機能は &quot;ボイドボリューム&quot;番号を生成する必要があります。 </li><li>同じヒストグラムを用いて、Z = 0の高さ位置（ 図13左）で他のカーソルにこの時間を置いて、反対側の端にある他の。 図13にあるオレンジ色の染めていない領域が右側面より上にあります。ヒストグラム機能は &quot;材料体積&quot;番号を生成する必要があります。合計摩耗量は、 &quot;ボイドボリューム、&quot;ステップ3.2と同じから差し引か平面上の &quot;物量&quot;である。ヒストグラム法は、ステップ6.2と同じ摩耗体積を計算する必要がありますが、それは上げ下げの材料の分布に関する追加の詳細を提供し、この地域の分布のマップを示す。 </li></ol>

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</ol>

特別な利害関係は宣言されません。

例1 WLIは広くトライボロジー仕事の表面の特性評価に使用されますが、それは実際には多くのコンタクトジオメトリの摩耗量を定量的に測定するための強力な方法ですされていません。 WLIでは、いくつかの可視化ソフトウェア·パッケージのいずれかを用いて分析することができる表面の完全な3D表現を生成します。これらのパッケージは、実行する測定の様々なタイプを有効にしてください。大きな横方向の解像度の場合、画像はμm分解能を備えた広域情報（数mm）、生成するために一緒に &quot;ステッチング&quot;することができます。 非トライボロジー仕事のために、WLIは、AFMなどの連絡手段を用いて測定することが困難な表面の特徴を測定するために使用することができます。 Fu らは Si表面の微細加工にGaイオンビームパラメータの効果を検討した。 AFMは表面形状を測定するために使用されましたが、結果はAFMカンチレバー先端の制限された垂直範囲のために制限され、によって引き起こされる被害大型ピット深さのためのヒント。その代わりに、労...

電子的、構造的、化学：固体材料の表面は大部分のこれらの材料のために関心のあるプロパティに決定します。研究の多くの分野、物質の添加（例えば、パルスレーザー/マグネトロンスパッタ蒸着による薄膜蒸着、物理/化学蒸着）、材料の除去（反応性イオンエッチング、イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法など）では、またはいくつかの他のプロセスは、特徴づけする必要があります。また、エネルギッシュな光パルスまたは荷電粒子との相互作用を介して表面改質は、多数のアプリケーションを持っており、基本的な関心事である。トライボロジー、摩擦や摩耗の研究は、関心のある別の領域です。ベンチスケールでは、トライボロジー試験の幾何学的形状の多数が存在する。非共接触ジオメトリを使用してもよいし、ボールやシリンダーがスライドや時間の長さのために、平らな面に、別のボール、またはシリンダに対して回転し、除去される材料の量が私にあることができるasured。摩耗痕は本質的に3次元かつ不規則であるため、光学的形状測定は、正確な摩耗量の測定値を得るのに適した唯一の手法かもしれません。それらのすべてはシンプルな2Dおよび3Dの地形の可視化に加えて得ることができ、一般的な分析作業は、表面粗さパラメータ、ステップの高さ、材料体積の損失、トレンチの深さなども含まれる。 光学的形状測定は、表面のプロファイルを再構築するために使用されている任意の光学的手法を指します。 Profilometric方法は、白色光干渉計、レーザー、または共焦点の方法が挙げられる。いくつかの光学プロフィロは、従来の回折限界の顕微鏡対物レンズに基づくアプローチを介して情報を取得します。例えば、走査レーザーは表面の地形と真の色情報を取得するために顕微鏡を用いて統合することができる。第二の方法は、セリを組み立てるために、従来の目標の焦点極めて小さい深さを悪用する手法を使用し3D地形図を入手するために、表面の合焦点 &quot;画像スライス&quot;のES。 本研究では、白色光干渉顕微鏡/プロフィルは機械的摩耗プロセス中に失われた物質の量を測定することができる、または、イオンスパッタリングのクレーターやレーザーアブレーションなどの材料のエッチングプロセス中に方法を示しています。最も注目は、多数のアプリケーションに広く利用可能な、魅力的になり、その大規模な設置容量を示すために、このメソッドの方法論に支払われます。 WLIのほとんどの種類は試料表面から反射された参照光と信号光との干渉を引き起こすために、顕微鏡の対物レンズに内部のミラーを使用してミロー技術を採用しています。全体ミロー干渉計顕微鏡対物レンズの内側にフィットし、定期的な光学顕微鏡（ 図1）に結合することができるので、ミロー干渉法の選択は、単純な利便性によって決定される。二次元の間の一連のferogramsは、ビデオカメラで取得し、ソフトウェアは、3D地形図を組み立てています。白色光源は単色光源に固有の &quot;縞次数&quot;あいまいさを克服するのに役立つ広範囲の照明を供給しています。光の単色光源は浅い地形のより正確な測定を得るために使用され得る。横方向の解像度は基本的に、λ/ 2（開口数NA = 1）に限らず、ほとんどのインスタンスで大きいし、倍率に接続されたA /視野の大きさです。同​​様に、客観的な、のNAによって決定される。文献の表1。 1は、すべて上記のパラメータを直接比較しています。深さ分解能はアプローチ≈1 nmを、技術の干渉性質の関​​数である。ミラウWLIに関する詳しい情報は文献に記載されています。 2、3。白色光干渉アプローチの導入は文献に記載されています。 4。 表面の分析のための他の方法は原子FORCアール電子顕微鏡（SEM）、およびスタイラスプロフィルを走査電子顕微鏡（AFM）、。 WLIの手法では、これらの方法に比べても遜色及び方法の光学的性質に起因して、独自の利点と欠点があります。 AFMは、3D画像のため、対応する断面を得ることが可能ですが、AFMは、横方向（&lt;100μm）と深さ（&lt;10μm）の軸の限られたスキャン機能を備えています。それらとは対照的に、WLIの主な利点は、同時リアルタイム3Dイメージング機能を搭載した、数ミリメートルまでの柔軟な視野（FOV）です。我々が実証するように加えて、それは1つが単に表面改質のさまざまな問題を解決することができ、広い垂直走査範囲の容量を持っています。 AFMで働いている研究者は少ない垂直勾配の長期化機能を測定試料の平面のポジショニングに問題を認識しています。一般に、1つは、AFMの上に &quot;急行&quot;のテクニックとして、WLI / OPのと思うかもしれません。もちろん、あります唯一のAFMは適しているエリアの数：解決すべき側面の機能が特徴WLIの横方向の解像度よりも小さい寸法、またはWLIからのデータはその方法でサンプルの未知の、または、複雑な光学的性質に起因する曖昧であるインスタンスを持っているとき測定の精度（後述）などに影響を与える SEMは、任意の従来の光学顕微鏡を提供することができますより大きな焦点深度と視野の大きさ、という点で、非常に柔軟であること、表面を見て強力な方法です。同時に、SEMによる3Dイメージングは​​、それはアナグリフ方式による3D映像に変換する、あるいは光学視聴者と観察を通じて​​、または別の間の深さの直接計算に使用されるステレオペア画像の服用が必要です特にとして、面倒ですサンプル上の対象点5は対照的に、WLIのOP /プロフィは、同時に柔軟な視野と3次元再構成を簡単に使用しています。 WLIではフルをスキャン特定のサンプルに必要な高さ範囲（ミクロン〜数百ナノメートルから）。 WLIは、SEMに問題がある可能性があり、試料物質の電気伝導度、影響を受けません。 WLIははっきり真空を必要としません。 WLIの横方向の解像度以下に特徴的な寸法の解決すべき側面の機能のみ、または二次電子放出係数の試料の異なる部分が地形的に区別することができます例：一方、SEMは、優れた情報を提供するアプリケーションの数があります異なる。 広く二次イオン質量分析法6および微小電気機械システムの特性評価7の分野で使用されている表面検査用のもう一つの技術は、スタイラスプロファイロです。この手法は、そのシンプルさと丈夫さのため人気があります。これは、試料表面上のスタイラスの先端を直接機械的接触スキャンに基づいています。これは粗接触ツールです、これは、一度に1つのラインに沿ってスキャンすることができます。これは、3Dサーフェスラスタスキャンイメージング非常に時間がかかることができます。スタイラス技法のもう一つの欠点は、高アスペクト比のと先端半径と先端頂角を意味し、その特性先端サイズ（典型的には数ミクロンミクロン）に匹敵する大きさの表面の特徴を測定することの難しさです。スタイラスプロファイロの利点は、WLI OP /測定（後述）の精度に影響を与えることができるサンプルの光学的性質を変化させることへの鈍感です。 本資料に記載されている面マップは従来のミロー型WLIを（ 図1）を用いて得た。そのようなZygo社、KLA-Tencor社、ナノサイエンス、Zemetrics、Nanovea、FRT、キーエンス、ブルカー、そしてテーラーホブとして、多くの企業は、商用、テーブルトップ、OPの楽器を作り出す。取得したマップは、一般的に、WLI、走査電子は、oに使用されるタイプの商用ソフトウェアを使用して再構築し、処理されたR型プローブ顕微鏡。ソフトウェアは、表面、断面プロファイル解析、ボイドや材料体積の計算、および平面補正の数学的操作を実行する能力を持っています。他のソフトウェアパッケージは、これらの機能の一部を自動化することができます。

<table border="1"><tbody><tr><td>単結晶Siの基板は、GaAsとCu </td><td></td><td></td><td>スパッタリングおよびアブレーション</td></tr><tr><td>純粋な金属合金</td><td></td><td></td><td>トライボロジー例について</td></tr></tbody></table>

白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用

Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

材料科学と工学では、マイクロメートル横分解能表面形状の定量的な測定値を得ることがしばしば必要となります。測定された表面から、3Dの地形図は、その後、必要な情報を抽出するためのソフトウェアパッケージのさまざまな方法を使って分析することができます。 この記事では、我々はどのように白色光干渉法、および一般的な表面解析ソフトウェアと組み合わせて、一般的に光学形状測定（OP）を、説明し、材料科学と工学のタスクに使用できます。この記事では、質量分析における表面修飾の調査のための白色光干渉法のアプリケーションの数、およびトライボロジーと潤滑で摩耗現象が実証されています。我々は、高エネルギーイオン（スパッタ）、レーザー照射（アブレーション）、ならびにトライボロジー試験片の摩耗の域外測定と半導体と金属との相互作用の製品を特徴づける。 </p&gt; 具体的には説明します： <ol class="lroman"><li>例えば、スパッタリングレート/ SiとCuの利回り測定とその後のタイム·ツー·深度変換など、従来のイオンスパッタリングベースの質量分析の諸相。 </li><li>半導体表面にフェムト秒レーザー照射の相互作用の定量的特性評価の結果。これらの結果は、蒸発した材料の量はパルスあたりのパルス持続時間とエネルギーを介して勉強し、制御することができアブレーション質量分析などのアプリケーションのために重要である。このように、クレーター形状を決定することによって、1に実験条件に対する深さと横方向の解像度を定義することができます。 </li><li>表面粗さの2次元でのパラメータ、および摩擦摩耗試験の結果として発生する表面の摩耗量を測定した測定。 </li></ol>白色光のいくつかの固有の欠点、可能な成果物、および不確実性の評価干渉のアプローチを議論し、説明する。

<html><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/50260/50260fig1.jpg" /> 図1は、本研究で使用したシンプルなプロフィルの写真：多目的タレットが写っています。二つの目標が（10xと50xの）標準で、残りの2つはミロー目標（10倍と50倍）です。この顕微鏡は、0.62、1.00、1.25、または2.00の段階的拡大乗数を選択することを可能にする中間倍率機能を備えています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50260/50260fig1large.jpg" target="_blank">拡大図を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/50260/502...

白色光干渉顕微鏡は、表面のトポグラフィーを測定するための光学、非接触で迅速な方法です。材料科学にイオンビームスパッタ法やレーザーアブレーション量や深さを決定するために、それはメソッドが着用トライボロジー試験試料に傷が分析され、機械的な摩耗の解析に向けてどのように適用できるかを示しています。

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

光学的プロフィロメトリーは、大小さまざまな物体の表面高さをサブミクロン精度で測定するための非接触手法です。以下の実験の全体的な目的は、白色光干渉顕微鏡を狭い領域のトポグラフィーを迅速に測定する方法として使用することであり、これにより、機械的な摩耗プロセスや、イオンスパッタリングによるクレーター形成、レーザーアブレーションなどの材料エッチングプロセス中に失われた材料量を測定することが可能になります。この測定は、まず白色光干渉顕微鏡を用いてテスト表面の3次元プロファイルを取得することで達成されます。非干渉性の白色光は、明確な干渉パターンを形成します。パス長の遅延が等しい場合にのみ、広範囲に利用可能となります。ソフトウェア測定ツールを用いて、例えば強力なレーザー照射や高エネルギーイオンによって引き起こされた元の表面からの変化を決定します。これは、元の平坦で滑らかな表面から、変化した表面を減算することで行われます。この操作を行う際、曲面上の摩耗痕などのように、表面を平面として表現するためにソフトウェアツールを用いて表面から曲率を除去する必要がある場合があります。本手法を2つの領域に適用する方法を説明します。まず、トライボロジー試験試料の機械的摩耗解析における摩耗および摩耗痕の分析に利用され、次に材料科学においてイオンビームスパッタリングやレーザーアブレーションの体積および深さを決定するために利用されます。スタイラス式プロフィロメトリやサイズに基づく近似などの他の手法と比較した本手法の主な利点は、詳細な三次元画像が得られるため、迅速かつ正確であることです。これにより、レーザーアブレーションやイオンビームスパッタリングなどで生じる、不規則または規則的なクレーターの測定に非常に有用です。次に、トライボロジーの分野において、摩耗量は非常に少なく、単純な顕微鏡による推定に基づく近似は誤解を招く可能性があります。正確な結果を報告するためには、変形領域の実際の形状を取得する必要があります。これは、例えば、除去された深さがわずか10 nanometers 程度であるスパッタリング実験においても同様です。まず、光学プロフィロメータとトポグラフィーソフトウェアを確保することから始めてください。このデモンストレーションでは、micro exam 100白光干渉顕微鏡と走査プローブ画像処理ソフトウェアを使用します。以下の手順では、トライボロジーや潤滑科学で行われるような、ボール上の小さな摩耗痕の体積を測定する方法を示します。このプレゼンテーションを可能な限り汎用的なものにするため、自動処理は使用していません。最初のステップは、測定ステージにサンプルを配置することです。適当で安定した台座を用いて、プロフィロメーターのステージ上にボールを設置します。関心のある部位を上に向け、低倍率の対物レンズを使用して、レンズの直下にボールを配置します。干渉縞がスクリーンの中心付近に現れるように、試料の垂直位置を調整します。曲面の場合は、縞が中心にくるように試料の向きを調整します。手でボールを回転させるか、ステージを傾けて、摩耗痕が見えるようにし、可能であれば摩耗痕が水平になるように調整してください。中倍率の対物レンズを使用し、目的の摩耗領域が画面の大部分を占めるように像を得ます。これにより分解能が向上します。最適な地形図を得るために、照明とスキャン高さを調整してください。データの収集時は、装置の説明書に従って試料をスキャンしてください。interpolate関数を用いて、不適切または欠損しているデータを補完し、その後、3Dアイソメトリックビューでマップを保存します。この画像は、ボールのAB編みエリアを示しています。この表面を解析するには、ボールの元の表面が平坦に見えるように、画像の曲率を除去する必要があります。次に、2Dビューで凹みの体積を測定します。摩耗痕を除外した関心領域を選択してください。ここでは、緑色の色付き部分が除外領域を示しています。画像解析プログラムが表面補正を全領域に適用し、かつ、マークした関心領域のみを使用してフィッティングが行われるようにしてください。曲率を除去するためのソフトウェアのカーブフィッティングツールを選択します。例えば、5次多項式などが挙げられます。瘢痕が曲率除去に影響しないよう、囲まれた領域に対して操作を行うオプションを選択してください。領域が十分な精度で平坦であることを確認するために、フィッティングを数回繰り返す必要がある場合があります。平均レベルをゼロに設定してください。暗い円形の領域が凹部です。摩耗痕の体積を、画像処理ソフトウェアの計測ツールを用いて測定します。ここではどのような形状でも使用可能です。青色の楕円形計測ツールを用いて、摩耗痕を囲みます。ソフトウェアの計測ツールには、平面上の材料量と、平面下で失われた材料量の合計を算出する機能が備わっている必要があります。この例では、挿入図に材料体積が136 cubic micronsであることが示されています。空隙体積は2, 733 cubic micronsであり、正味の摩耗量は2, 597 cubic micronsとなります。測定領域を摩耗痕から離して移動させ、測定される摩耗体積（本来はゼロであるはず）が実際に極めて小さいことを確認することで、系統誤差の推定が可能です。平面上の摩耗痕の体積測定は、ボールの場合よりも簡便です。解析を開始するために、トレンチ溝または摩耗痕の画像を取得します。一般的に、試料の傾きを解消することが推奨され、これにより干渉縞の間隔が広がります。傾きが解消された状態で試料をスキャンしてください。溝が画像として捉えられるはずです。この画像はアイソメトリックビューです。表面は水平である必要があります。そうでない場合は修正してください。瘢痕領域をマスクし、表面のそれ以外の部分に平面傾斜補正を適用します。また、マスクされていない表面の平均高さをゼロに設定します。この例では、初期の方向付けはほぼ完璧でした。次に、計測ツールを使用してトレンチの体積を決定します。この例の数値結果は、空隙体積が47, 018 cubic microns、表面上の材料体積が68 cubic micronsであり、正味の損失は46, 950 cubic micronsとなります。これが、摩耗痕の長さにわたって失われた材料の量です。実際には、表面が粗造になっただけである場合が多くあります。ここで示す2つ目の例では、空隙の体積と材料の体積がほぼ等しく、実際に除去された材料はほとんどありません。イオンスパッタまたはレーザーアブレーションによるクレーターの体積分析は単純であり、分析を開始するには、クレーターを中央付近に配置した画像を取得し、スキャンデータを取得します。一部の白色光干渉計では、浅い構造物に対して複数の動作モードを備えている場合があります。スキャンには位相シフト干渉法モードを使用してください。この非常に浅い例で使用されているのはそのモードです。この例では、以前の処理ステップによりクレーター周囲の領域が完全に平坦ではないことがわかります。また、不均一な周囲領域の影響を排除するためにZ軸がオフセットされています。クロッピングツールを使用して、白いボックスで示された領域に制限することができます。外周の乱されていない領域がz = 0になるように、画像をオフセットさせる必要があります。必要に応じて、フレームまたはZオフセットツールを使用してこれを行うことができます。クレーターが適切に整列しているかは、3Dビューを用いて確認できます。これで、標準の測定ツールを使用してクレーターを測定することが可能です。同様に、青色でハイライトされた領域の材料体積と空隙体積を測定します。クレーターの正味体積は86,146立方ミクロンです。時間対深さ解析には、さまざまなラインプロファイルツールを使用して、深さ、非対称性、壁の傾斜などを測定することができます。これらの例では、工学および材料科学のテストサンプルの測定に光学プロフィロメトリーが使用されています。この手法は、軟骨表面の研究などのバイオメディカル分野を含む、その他の分野でも利用可能です。既存の技術が我々のタスクに適していないことが判明した際に、私たちはこの手法を考案しました。例えば、原子間力顕微鏡はスキャン範囲が極めて限定的です。機械的なスタイルであり、周辺画像は1次元に過ぎず、走査電子顕微鏡では多くの場合、実質的に平面的な画像しか得られません。この手法を視覚的に実演することで、この技術に不慣れな人々がその仕組みを理解するのに役立ちます。これにより、他の研究者が自身の研究分野に白色光干渉法を応用することが期待されます。

characterization-surface-modifications-white-light-interferometry

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

表面への質量選別イオンのソフトランディングは、新規材料の高度に制御された準備のための強力なアプローチである。 その場二次イオン質量分析法（SIMS）および赤外反射吸収分光法（IRRAS） 内での分析と相まって、ソフトランディングは、表面と明確に定義された種との相互作用に前例のない洞察を提供しています。...

その場 SIMSおよび質量選択されたイオンのソフトランディングで調製し明確に定義された表面の赤外分光法における

我々は、H 2 O 2 / H 2 O溶液（0.01％-0.5％）またはメタノール溶液で満たされたマイクロ流体チャンバ内でサンプルを照射することにより、親水性又は疎水性の状態にするのSi（001）表面を処理されたHF の現場変更でのプロセスについて報告相対的な低パルスフルエンスのパルスUVレーザーを使用して。...

液体環境におけるパルスUVレーザー照射によるシリコン表面の濡れ性の選択エリア変更

新しいアブレーション材料とその数値モデリングの開発には、広範な実験的調査が必要です。このプロトコルでは、プラズマ流における材料応答の特性評価の手順を説明しています。その中核となる手法は、発光分光法による反応性境界層の化学的性質とともに材料の後退を追跡する非侵入型手法です。...

プラズマトロン内のアブレーション材料試験中の放射分光境界層調査

表面の2種類のシリカナノ粒子の層でコーティングされたポリエステル被覆鋼およびポリエステルを、調べました。両表面は、表面の化学的性質およびナノトポグラフィーでの実質的な変化を引き起こすことが見出された日光に暴露しました。...

日光への露出表面上にシリカナノ粒子 - ポリエステルコーティングの進化

パルス レーザー堆積法とその場でマグネトロンスパッタ リングの組み合わせを使用して金属/そこで3/SrTiO3ヘテロ構造を作製します。磁気伝導特性とその場での x 線光電子分光実験を通じて、我々...

成長と静電/化学特性の金属/そこで3/SrTiO3ヘテロ構造

飛行時間二次イオン質量分析法は、空気にさらされる標本と比較して塩溶液に曝露された後、アルミニウム合金の金属塗料界面における化学マッピングおよび腐食形態を実証するために適用される。...

飛行時間二次イオン質量分析を用いた金属塗料界面での腐食イメージング

極低温集束イオンビーム(FIB)および走査型電子顕微鏡(SEM)技術は、無傷の固液界面の化学的性質および形態に関する重要な洞察を提供することができる。このような界面の高品質のエネルギー分散型X線(EDX)分光マップを調製するための方法は、エネルギー貯蔵デバイスに焦点を当てて詳述されている。...

クライオ集束イオンビームフライス加工と走査型電子顕微鏡・分光法の結合による液体-固体界面のナノスケール特性評価

液体中での超高速レーザーアブレーションは、液体/空気環境でナノ材料(ナノ粒子[NP]およびナノ構造[NS])を合成するための正確で用途の広い技術です。レーザーアブレーションされたナノ材料は、ラマン活性分子で官能基化して、NS/NP上またはその近くに配置された分析種のラマンシグナルを増強することができます。...

表面増強ラマン散乱ベースのセンシングアプリケーションのための超高速レーザーアブレーションナノ粒子およびナノ構造

フォトニック結晶スローライト導波路と空洞の使用は、広く多くの異なるアプリケーションでフォトニクスコミュニティによって採用されています。したがって、これらのデバイスの作製および特性は非常に興味深いです。干渉計（導波路）と共鳴散乱（キャビティ）：本論文では、すなわち私たちの製造技術と二つの光学特性評価方法を概説します。...

フォトニック結晶スローライト導波路とキャビティの作製と評価

我々は、シンクロトロンX線吸収分光法（XAS）およびX線回折（XRD）リチウムイオン及びNaイオン電池の電極材料におけるインターカレーション/デインターカレーション処理の詳細を調べるための技術の使用を記載している。...

放射光技術を用いたリチウムイオンとナトリウムイオン電池用電極材料のキャラクタリゼーション

学ぶ白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション。イオンスパッタリング、レーザーアブレーション、トライボロジー実験における応用を含む材料科学の非接触測定手法です。

白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用

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