Caracterização de modificações superficiais por interferometria de luz branca: Aplicações em Ion Sputtering, ablação por laser, e as experiências Tribologia

A perfilometria óptica é um método sem contato para medir as alturas da superfície de objetos grandes ou pequenos com precisão submicrométrica. O objetivo geral do experimento a seguir é usar um microscópio interferométrico de luz branca como um método rápido para medir a topografia de pequenas áreas, o que permite a medição da quantidade de material perdido durante processos de desgaste mecânico ou durante processos de corrosão de material, como crateras de pulverização catódica de íons ou ablação a laser. Essa medição é obtida primeiro obtendo perfis tridimensionais das superfícies de teste usando um microscópio de interferência de luz branca.

A luz branca incoerente formará padrões de interferência distintos. Somente quando os atrasos de comprimento do caminho são os mesmos, então amplamente disponíveis. Ferramentas de medição de software são empregadas para determinar mudanças da superfície original causadas, por exemplo, por intensa irradiação de laser ou íons energéticos.

Isso é feito por subtração da superfície alterada da superfície lisa plana original. Ao fazer isso, pode ser necessário usar ferramentas de software para remover a curvatura da superfície para torná-la um plano plano, como para uma cicatriz de desgaste em uma superfície curva. É mostrado como o método pode ser aplicado em duas áreas.

Primeiro, análise de desgaste mecânico, desgaste, cicatrizes de desgaste em amostras de teste trilógico são analisadas e, segundo, em ciência dos materiais para determinar volumes e profundidades de pulverização catódica por feixe de íons ou ablação a laser. A principal vantagem desta técnica sobre outros métodos como caneta, perfilometria ou uma aproximação baseada no tamanho é que ela é rápida e precisa porque o método produz imagens tridimensionais detalhadas. É muito útil para medir crateras irregulares ou regulares, como ablação a laser ou respingos de feixe de ferro.

Secundariamente, no campo da triologia, as quantidades de desgaste podem ser muito pequenas e as aproximações baseadas em estimativas simples de microscópio podem ser enganosas. É necessário obter a forma real da região deformada para que os resultados corretos sejam relatados. O mesmo vale para experimentos de respingos em que a profundidade removida talvez seja da ordem de apenas 10 nanômetros. Comece garantindo o uso de um perfilômetro óptico e software topográfico.

Esta demonstração faz uso de um microexame, microscópio de interferência de luz branca 100 e software de processador de imagem de sonda de varredura. As etapas a seguir demonstram como medir o volume de uma pequena cicatriz de desgaste em uma bola, como seria feito na triologia ou na ciência da lubrificação. Para tornar esta apresentação o mais genérica possível, nenhum processamento automatizado é usado.

O primeiro passo é posicionar a amostra no estágio de medição. Coloque a bola no palco do perfilômetro usando qualquer pedestal conveniente e estável. Com o recurso de interesse voltado para cima, use uma objetiva de baixa ampliação e posicione a bola diretamente abaixo da lente.

Ajuste a posição vertical da amostra para que as franjas de interferência apareçam perto do centro da tela. Para uma superfície curva, oriente a amostra de forma que as franjas fiquem centralizadas. Gire a bola com a mão ou incline a platina para que a cicatriz de desgaste apareça e também fique horizontal, se disponível.

Use lentes de ampliação intermediária para obter uma imagem na qual a área de interesse desgastada preencha amplamente a tela. Ao fazer isso, melhora a resolução, ajusta a iluminação e a altura da varredura para obter o melhor mapa topográfico. Ao coletar dados, escaneie a amostra de acordo com as instruções do instrumento.

Preencha todos os dados inválidos ou ausentes usando a função interpolar e, em seguida, salve o mapa usando uma visualização isométrica 3D. Esta imagem mostra uma área trançada AB da bola. A análise desta superfície requer a remoção da curvatura da imagem para que a superfície original da bola pareça plana.

O volume da depressão pode então ser medido na visualização 2D, selecione uma área de interesse que exclua a cicatriz de desgaste. Aqui, a tonalidade verde denota a região excluída. Certifique-se de que o programa de análise de imagem aplique a correção de superfície a toda a área, mas que o ajuste seja feito usando apenas a área de interesse que você marcou.

Selecione a ferramenta de ajuste de curva do software que removerá a curvatura. Por exemplo, polinômio de quinta ordem. Escolha a opção de operar na área incluída para que a cicatriz não influencie na remoção da curvatura.

Pode ser necessário executar o ajuste várias vezes para garantir que a área seja plana com boa precisão. Defina o nível médio como zero. A região circular mais escura é a depressão.

O volume da cicatriz de desgaste é medido no software de processamento de imagem usando a ferramenta de medição. Qualquer forma pode ser usada aqui. Uma ferramenta de medição elíptica azul é usada para circundar a cicatriz de desgaste.

A ferramenta de medição do software deve ter um recurso que totalize a quantidade de material acima do plano de nível e a quantidade de material perdido abaixo do nível. Neste exemplo específico, a inserção mostra que o volume do material é de 136 mícrons cúbicos. O volume vazio é de 2.733 mícrons cúbicos, resultando em um desgaste líquido de 2.597 mícrons cúbicos.

Uma estimativa de qualquer erro sistemático pode ser feita afastando a região de medição da cicatriz de desgaste e observando que o volume de desgaste medido, que deve ser zero, é de fato muito pequeno. A medição do volume de uma cicatriz de desgaste em uma superfície plana é mais simples do que para uma bola. Para iniciar a análise, obtenha uma imagem da ranhura ou cicatriz da trincheira.

Geralmente, é uma boa prática remover qualquer inclinação da amostra e as franjas de interferência se espalharão. Quando a inclinação for removida, digitalize a amostra. Um sulco deve ser visualizado.

Esta imagem é uma visão isométrica. A superfície deve ser horizontal. Se não for.

Mascare a área da cicatriz e aplique uma correção de inclinação plana no resto da superfície. Defina também a altura média da superfície não mascarada como zero. Neste exemplo, a orientação inicial foi quase perfeita.

Em seguida, use a ferramenta de medição para determinar o volume da vala. Os resultados numéricos deste exemplo são um volume de 47.018 mícrons cúbicos, um volume de material de 68 mícrons cúbicos acima da superfície, dando uma perda líquida de 46.950 mícrons cúbicos. Esta é a quantidade de material que é perdida no comprimento da cicatriz de desgaste.

Na prática, muitas vezes a superfície é apenas áspera. Em um segundo exemplo mostrado aqui, os volumes vazio e material são quase iguais entre si e pouco material foi realmente removido. A análise de volume de uma cratera com pulverização catódica de íons ou ablação a laser é simples para iniciar a análise, obter uma imagem com a cratera perto do centro e adquirir os dados de varredura.

Alguns interferômetros de luz branca podem ter mais de um modo de operação para recursos superficiais. Deve ser utilizado o modo de varrimento por interferometria com mudança de fase. Esse é o modo usado neste exemplo muito superficial.

Neste exemplo, vê-se que a área ao redor da cratera não é perfeitamente plana devido às etapas de processamento anteriores, e também o eixo Z é deslocado para eliminar a influência da área circundante irregular. Uma ferramenta de corte pode ser usada para restringir a área à mostrada pela caixa branca. A imagem deve ser deslocada de modo que a área não perturbada ao redor do perímetro seja igual a z.

Isso pode ser feito usando uma ferramenta de deslocamento de quadro ou Z, se desejado. O alinhamento adequado da cratera pode ser verificado usando uma visão 3D. A cratera agora pode ser medida usando a ferramenta de medição padrão.

Novamente, a região destacada em azul terá seu volume de material e volume de vazios medidos. O volume líquido da cratera é de 86.146 mícrons cúbicos. Para análise de tempo para profundidade, várias ferramentas de perfil de linha podem ser usadas para medir a profundidade, a assimetria, a inclinação da parede e assim por diante.

A perfilometria óptica tem sido usada nesses exemplos para medir amostras de teste para engenharia e ciência de materiais. O método pode ser usado em outros campos, também até mesmo biomédicos para o estudo de superfícies de cartilagem. Tivemos a ideia desse método pela primeira vez quando descobrimos que outras técnicas simplesmente não eram adequadas para nossas tarefas.

Por exemplo, a microscopia de força atômica é muito limitada em suas faixas de varredura. Estilos mecânicos. As imagens periféricas são apenas unidimensionais, e a eletromicroscopia de varredura, em muitos casos, fornece essencialmente apenas imagens planas.

Essa demonstração visual do método é útil porque dá às pessoas não familiarizadas com a técnica uma ideia de como ela funciona. Esperançosamente, isso levará outros a aplicar a interferometria de luz branca em seu próprio campo de estudo.