Karakterisering van Surface Wijzigingen door Wit Licht Interferometrie: Toepassingen in Ion sputteren, Laser Ablatie en Tribologie Experimenten

Optische profilometrie is een contactloze methode om de oppervlaktehoogtes van grote of kleine objecten met sub-micron nauwkeurigheid te meten. Het algemene doel van het volgende experiment is om een witlicht-interferentiemicroscoop te gebruiken als een snelle methode voor het meten van de topografie van kleine gebieden, wat de meting mogelijk maakt van de hoeveelheid materiaalverlies tijdens mechanische slijtageprocessen of tijdens materiaaletsingsprocessen, zoals ionensputterkraters of laserablatie. Deze meting wordt gerealiseerd door eerst driedimensionale profielen van de testoppervlakken te verkrijgen met behulp van een witlicht-interferentiemicroscoop.

Incoherent wit licht vormt duidelijke interferentiepatronen. Alleen wanneer de vertragingen in weglengte gelijk zijn, zijn deze breed beschikbaar. Softwarematige meetinstrumenten worden gebruikt om veranderingen in het oorspronkelijke oppervlak te bepalen die zijn veroorzaakt door, bijvoorbeeld, intense laserbestraling of energetische ionen.

Dit wordt gedaan door het gewijzigde oppervlak af te trekken van het oorspronkelijke vlakke, gladde oppervlak. Hierbij kan het noodzakelijk zijn om softwaretools te gebruiken om de kromming uit het oppervlak te verwijderen zodat het een vlak vlak wordt, zoals bij een slijtageplek op een gebogen oppervlak. Er wordt gedemonstreerd hoe de methode in twee gebieden kan worden toegepast.

Ten eerste worden bij mechanische slijtageanalyse de slijtage en slijtageplekken op tribologische testmonsters geanalyseerd, en ten tweede in de materiaalkunde om volumes en dieptes van ionenbundersputteren of laserablatie te bepalen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van andere methoden, zoals stylusprofilometrie of een benadering op basis van grootte, is dat deze snel en nauwkeurig is, omdat de methode een gedetailleerd driedimensionaal beeld produceert. Het is zeer nuttig voor het meten van onregelmatige of regelmatige kraters, zoals die ontstaan door laserablatie of ionenbundersputteren.

Ten tweede kunnen de slijtagehoeveelheden in de tribologie erg klein zijn, waardoor benaderingen op basis van eenvoudige microscopische schattingen misleidend kunnen zijn. Het is noodzakelijk om de werkelijke vorm van het gedeformeerde gebied te bepalen om correcte resultaten te kunnen rapporteren. Hetzelfde geldt bijvoorbeeld bij spatterexperimenten, waarbij de verwijderde diepte mogelijk slechts van de orde van 10 nanometers is. Begin met het regelen van het gebruik van een optische profilometer en topografische software.

Deze demonstratie maakt gebruik van een micro exam 100 witlichtinterferentiemicroscoop en scanning probe image processor-software. De volgende stappen laten zien hoe het volume van een kleine slijtageplek op een kogel gemeten kan worden, zoals gebruikelijk in de tribologie of smeermiddelenwetenschap. Om deze presentatie zo algemeen mogelijk te houden, wordt er geen gebruik gemaakt van geautomatiseerde verwerking.

De eerste stap is het positioneren van het monster op de meettafel. Plaats de bol op de tafel van de profilometer met behulp van een handige en stabiele voet. Positioneer de bol direct onder de lens met behulp van een objectief met lage vergroting, waarbij het betreffende kenmerk naar boven is gericht.

Pas de verticale positie van het specimen aan zodat de interferentieringentingen nabij het midden van het scherm verschijnen. Richt bij een gekromd oppervlak het specimen zo uit dat de ringen gecentreerd zijn. Draai de kogel met de hand of kantel de tafel zodat de slijtageplek in beeld komt en, indien mogelijk, ook horizontaal staat.

Gebruik objectieven met een gemiddelde vergroting om een beeld te verkrijgen waarin het versleten gebied van belang grotendeels het scherm vult. Dit verbetert de resolutie; pas de verlichting en scanningshoogte aan om de beste topografische kaart te verkrijgen. Scan bij het verzamelen van gegevens het preparaat volgens de instructies van het instrument.

Vul eventuele foutieve of ontbrekende gegevens aan met de interpolate-functie en sla de kaart vervolgens op met een 3D isometrisch aanzicht. Deze afbeelding toont een AB-gevlochten gebied van de bal. De analyse van dit oppervlak vereist het verwijderen van de kromming van de afbeelding, zodat het oorspronkelijke oppervlak van de bal vlak verschijnt.

Het volume van de depressie kan vervolgens in de 2D-weergave worden gemeten door een interessegebied te selecteren dat de slijtageplek uitsluit. Hier geeft de groene kleur het uitgesloten gebied aan. Zorg ervoor dat het programma voor beeldanalyse de oppervlaktecorrectie op het gehele gebied toepast, maar dat de fit enkel wordt uitgevoerd met behulp van het door u gemarkeerde interessegebied.

Selecteer de softwaretool voor curvefitting die de kromming zal verwijderen. Bijvoorbeeld een vijfde-graads polynoom. Kies de optie om binnen het geselecteerde gebied te werken, zodat het litteken de verwijdering van de kromming niet beïnvloedt.

Het kan nodig zijn om de fit meerdere keren uit te voeren om te garanderen dat het oppervlak met voldoende nauwkeurigheid vlak is. Stel het gemiddelde niveau in op nul. Het donkerdere circulaire gebied is de verdieping.

Het volume van de slijtageplek wordt gemeten in de beeldbewerkingssoftware met behulp van het meetinstrument. Hier kan elke vorm worden gebruikt. Een blauw elliptisch meetinstrument wordt gebruikt om de slijtageplek te omcirkelen.

Het softwaremeetinstrument moet beschikken over een functie die de totale hoeveelheid materiaal boven het vlakke niveau en de hoeveelheid materiaalverlies onder het niveau berekent. In dit specifieke voorbeeld laat de inzet zien dat het materiaalvolume 136 kubieke microns is. Het leegtevolume is 2.733 kubieke microns, wat resulteert in een netto slijtage van 2.597 kubieke microns.

Een schatting van eventuele systematische fouten kan worden gemaakt door het meetgebied te verplaatsen naar een plek buiten de slijtageplek en vast te stellen dat het gemeten slijtagevolume, dat nul zou moeten zijn, inderdaad zeer gering is. De meting van het volume van een slijtageplek op een vlak oppervlak is eenvoudiger dan die van een kogel. Om de analyse te starten, wordt er een afbeelding van de geul of slijtageplek gemaakt.

Het is over het algemeen goede praktijk om elke kanteling van het preparaat te verwijderen, waarbij de interferentieringenvan elkaar zullen afstaan. Zodra de kanteling is opgeheven, kan het monster worden gescand. Er zou dan een groeve in beeld moeten komen.

Deze afbeelding is een isometrisch overzicht. Het oppervlak moet horizontaal zijn. Indien dit niet het geval is.

Maskeer het littekengebied en pas een vlakke kantelcorrectie toe op de rest van het oppervlak. Stel daarnaast de gemiddelde hoogte van het niet-gemaskerde oppervlak in op nul. In dit voorbeeld was de initiële oriëntatie vrijwel perfect.

Gebruik vervolgens de meettool om het volume van de geul te bepalen. De numerieke resultaten van dit voorbeeld zijn een vermeden volume van 47, 018 kubieke microns, een materiaalvolume van 68 kubieke microns boven het oppervlak, wat resulteert in een nettoverlies van 46, 950 kubieke microns. Dit is de hoeveelheid materiaal die verloren gaat over de lengte van de slijtageplek.

In de praktijk komt het vaak voor dat het oppervlak slechts is opgeruwd. In een tweede hier getoond voorbeeld zijn de volumes van de holte en het materiaal nagenoeg gelijk aan elkaar en is er in werkelijkheid weinig materiaal verwijderd. De volumeanalyse van een ionensputter- of laserablatiekrater is eenvoudig: begin de analyse door een afbeelding te verkrijgen waarbij de krater zich nabij het centrum bevindt en verzamel vervolgens de scandata.

Sommige witlichtinterferometers kunnen meerdere werkingsmodi hebben voor ondiepe structuren. De modus voor faseverschuivingsinterferometrie moet worden gebruikt voor het scannen. Dit is de modus die in dit voorbeeld met zeer ondiepe structuren wordt toegepast.

In dit voorbeeld is te zien dat het gebied rondom de krater niet perfect vlak is als gevolg van eerdere bewerkingsstappen; daarnaast is de Z-as verschoven om de invloed van het ongelijkmatige omliggende gebied te elimineren. Een uitsnijdhulpmiddel kan worden gebruikt om het gebied te beperken tot datgene wat door het witte kader wordt aangegeven. De afbeelding moet zodanig worden verschoven dat het ongestoorde gebied rondom de perimeter op z is gelijk aan nul.

Dit kan indien gewenst worden gedaan met een frame- of Z-offsettool. De juiste uitlijning van de krater kan worden geverifieerd met een 3D-weergave. De krater kan nu worden gemeten met de standaard meettool.

Opnieuw worden het materiaalvolume en het vacuümvolume van het blauw gemarkeerde gebied gemeten. Het nettovolume van de krater bedraagt 86.146 kubieke micron. Voor de analyse van de tijd-diepte-relatie kunnen diverse instrumenten voor lijnprofielen worden gebruikt om de diepte, de asymmetrie, de helling van de wand enzovoort te meten.

Optische profilometrie is in deze voorbeelden gebruikt om testmonsters voor engineering en materiaalkunde te meten. De methode kan ook in andere vakgebieden worden toegepast, zelfs biomedisch voor de studie van kraakbeenoppervlakken. We kregen oorspronkelijk het idee voor deze methode toen we ontdekten dat andere technieken simpelweg niet geschikt waren voor onze taken.

Atomic force microscopy is bijvoorbeeld simpelweg te beperkt in zijn scanbereiken. Mechanische stijlen. Perifere beeldvorming is slechts eendimensionaal, en scanning-elektronenmicroscopie levert in veel gevallen in essentie alleen maar platte beelden op.

Deze visuele demonstratie van de methode is nuttig omdat het mensen die onbekend zijn met de techniek een idee geeft van hoe deze werkt. Hopelijk zal dit anderen stimuleren om witlichtinterferometrie toe te passen in hun eigen vakgebied.