Method Article

Charakterystyka modyfikacji powierzchni za pomocą interferometrii światła białego: zastosowania w rozpylaniu jonowym, ablacji laserowej i eksperymentach tribologicznych

DOI:

10.3791/50260

⸱

February 27th, 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
1Materials Science Division, Argonne National Laboratory, 2Energy Systems Division, Argonne National Laboratory, 3MassThink LLC

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Interferometria pod mikroskopem światła białego to optyczna, bezkontaktowa i szybka metoda pomiaru topografii powierzchni. Pokazano, w jaki sposób metoda może być zastosowana do analizy zużycia mechanicznego, w której analizowane są blizny po zużyciu w próbkach badań tribologicznych; oraz w materiałoznawstwie w celu określenia objętości i głębokości rozpylania wiązką jonów lub ablacji laserowej.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W materiałoznawstwie i inżynierii często konieczne jest uzyskanie ilościowych pomiarów topografii powierzchni z mikrometrową rozdzielczością poprzeczną. Na podstawie zmierzonej powierzchni można następnie analizować mapy topograficzne 3D za pomocą różnych pakietów oprogramowania w celu wyodrębnienia potrzebnych informacji.

W tym artykule opisujemy, jak interferometria światła białego i ogólnie profilometria optyczna (OP), w połączeniu z ogólnym oprogramowaniem do analizy powierzchni, mogą być wykorzystane do zadań związanych z materiałoznawstwem i inżynierią. W artykule przedstawiono szereg zastosowań interferometrii światła białego do badania modyfikacji powierzchni w spektrometrii mas oraz zjawisk zużycia w tribologii i smarowaniu. Charakteryzujemy produkty oddziaływania półprzewodników i metali z jonami energetycznymi (rozpylanie) oraz naświetlanie laserowe (ablacja), a także pomiary ex situ zużycia tribologicznych próbek do badań.

Konkretnie, omówimy:

  1. Aspekty tradycyjnej spektrometrii mas opartej na rozpylaniu jonowym, takie jak pomiary szybkości/wydajności rozpylania na Si i Cu, a następnie konwersja czasu na głębokość.
  2. Wyniki ilościowej charakterystyki oddziaływania promieniowania laserem femtosekundowym z powierzchnią półprzewodnikową. Wyniki te są ważne dla zastosowań takich jak ablacyjna spektrometria mas, w której ilość odparowanego materiału może być badana i kontrolowana za pomocą czasu trwania impulsu i energii na impuls. W ten sposób, określając geometrię krateru, można określić głębokość i rozdzielczość poprzeczną w porównaniu z eksperymentalnymi warunkami konfiguracji.
  3. Pomiary parametrów chropowatości powierzchni w dwóch wymiarach oraz ilościowe pomiary zużycia powierzchni zachodzącego w wyniku badań tarcia i zużycia.

Niektóre nieodłączne wady, możliwe artefakty i oceny niepewności podejścia interferometrycznego światła białego zostaną omówione i wyjaśnione.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Powierzchnia materiałów stałych określa w dużym stopniu interesujące właściwości tych materiałów: elektronicznie, strukturalnie i chemicznie. W wielu dziedzinach badań należy scharakteryzować dodawanie materiału (na przykład osadzanie cienkich warstw za pomocą napylania laserowego impulsowego/magnetronowego, fizyczne/chemiczne osadzanie z fazy gazowej), usuwanie materiału (reaktywne trawienie jonowe, rozpylanie jonowe, ablacja laserowa itp.) lub niektóre inne procesy. Dodatkowo, modyfikacja powierzchni poprzez interakcję z energetycznymi impulsami świetlnymi lub naładowanymi cząstkami ma wiele zastosowań i ma fundamentalne znaczenie. Innym obszarem zainteresowań jest ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Wyrównanie sprzętowe dla ogólnego skanowania WLI

Aby uzyskać informacje ilościowe za pośrednictwem WLI, następujące kroki mogą służyć jako wytyczna. Zakłada się, że operator posiada podstawową wiedzę z zakresu działania interferometru. Wytyczne są wspólne niezależnie od konkretnego instrumentu. W przypadku niektórych badań próbka będzie płaska. W przypadku innych próbka może być zakrzywiona.

  1. Umieść próbkę na stoliku tak, aby element (krater rozpylony jonami, wiązka jonów/miejsce po ablacji lub blizna po noszeniu) był skierowany prosto do góry. Użyj obiektywu o małym powiększeniu i skup na nim instrument. Aby uzyskać najlepszą....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

figure-results-1
Rysunek 1. Zdjęcie prostego profilometru użytego w niniejszym badaniu: na zdjęciu widać wieżyczkę z wieloma obiektywami. Dwa obiektywy są standardowe (10x i 50x), a dwa to obiektywy Mirau (10x i 50x). Ten mikroskop jest wyposażony w funkcję powiększenia pośredniego, która umożliwia skokowy wybór mnożników powiększenia 0,62, 1,00, 1,25 lub 2,00.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przykład 1

WLI nie jest powszechnie stosowana do charakteryzowania powierzchni w pracach tribologicznych, ale w rzeczywistości jest to skuteczna metoda ilościowego pomiaru objętości zużycia dla wielu geometrii kontaktowych. WLI tworzy pełną reprezentację 3D powierzchni, którą można analizować za pomocą dowolnego z kilku pakietów oprogramowania do wizualizacji. Pakiety te umożliwiają wykonywanie różnego rodzaju pomiarów. Aby uzyskać większą rozdzielczość poprzeczną, obrazy można "zszywać" ze sobą .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Próbka napromieniowanego GaAs została dostarczona przez Yang Cui z University of Illinois w Chicago. Prace te były wspierane w ramach umowy nr DE-AC02-06CH11357 pomiędzy UChicago Argonne, LLC a Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych oraz przez NASA poprzez granty NNH08AH761 i NNH08ZDA001N oraz Biurem Technologii Pojazdów Stanów Zjednoczonych Departament Energetyki w ramach umowy DE-AC02-06CH11357. Mikroskopia elektronowa została wykonana w Centrum Mikroskopii Elektronowej do Badań Materiałowych w Argonne National Laboratory, laboratorium Biura Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, działającym w ramach kontraktu DE-AC02-06CH11357 przez UChicago Argonne,....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Podłoża monokrystaliczne Si, GaAs i Cu do rozpylania i ablacji
Przykłady czystych stopów do tribologii
metali

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gao, F., Leach, R. K., Petzing, J., Coupland, J. M. Surface measurement errors using commercial scanning white light interferometers. Meas. Sci. Technol. 19, 015303(2008).
  2. Cheng, Y. -Y., Wyant, J. C. Multiple-wavelength phase-shifting interferometry. Appl. Opt. 24....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

White Light InterferometryOptical ProfilometrySurface TopographyIon SputteringLaser AblationTribology ExperimentsSurface RoughnessWear AnalysisCrater GeometryDepth Profiling

Related Articles