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

A profilometria 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 utilizar um microscópio interferométrico de luz branca como um método rápido para medir a topografia de áreas pequenas, o que permite a quantificação da quantidade de material perdido durante processos de desgaste mecânico ou durante processos de ataque químico, como crateras por pulverização iônica ou ablação a laser. Essa medição é realizada obtendo-se inicialmente perfis tridimensionais das superfícies testadas usando um microscópio de interferência de luz branca.

Luz branca incoerente formará padrões de interferência distintos. Apenas quando os atrasos de comprimento de percurso forem iguais, então amplamente disponíveis. Ferramentas de medição de software são empregadas para determinar alterações na superfície original causadas, por exemplo, por irradiação intensa com laser ou íons energéticos.

Isso é feito pela subtração da superfície alterada da superfície plana e lisa original. Ao realizar isso, pode ser necessário usar ferramentas de software para remover a curvatura da superfície, tornando-a um plano plano, como no caso de uma marca de desgaste em uma superfície curva. Mostra-se como o método pode ser aplicado em duas áreas.

Primeiramente, realiza-se a análise de desgaste mecânico, desgastes e marcas de desgaste em amostras de teste triológicas, e em segundo lugar, na ciência dos materiais, para determinar volumes e profundidades de pulverização por feixe de íons ou ablação a laser. A principal vantagem desta técnica em relação a outros métodos, como o perfilometria com estilete ou uma aproximação baseada no tamanho, é que ela é rápida e precisa, pois o método produz uma imagem tridimensional detalhada. É muito útil para medir crateras regulares ou irregulares, como aquelas resultantes de ablação a laser ou pulverização por feixe de íons.

Em segundo lugar, no campo da triologia, as quantidades de desgaste podem ser bastante pequenas, e aproximações baseadas em estimativas simples com microscópio podem ser enganosas. É necessário obter a forma real da região deformada para que os resultados corretos sejam relatados. O mesmo vale, por exemplo, em experimentos de projeção, onde a profundidade removida pode estar na ordem de apenas 10 nanômetros. Comece assegurando o uso de um perfilômetro óptico e de um software topográfico.

Esta demonstração faz uso de um microscópio de exame, um microscópio de interferência de luz branca 100 e um software processador de imagens por sonda de varredura. Os seguintes passos demonstram como medir o volume de uma pequena marca de desgaste em uma esfera, como seria feito na triologia ou na ciência da lubrificação. Para tornar esta apresentação o mais genérica possível, nenhum processamento automatizado é utilizado.

O primeiro passo é posicionar a amostra sobre a plataforma de medição. Coloque a esfera sobre a plataforma do perfilômetro utilizando qualquer pedestal estável e conveniente. Com a característica de interesse voltada para cima, utilize uma objetiva de baixa magnificação e posicione a esfera diretamente sob a lente.

Ajuste a posição vertical do espécime para que as franjas de interferência apareçam próximo ao centro da tela. Para uma superfície curva, oriente o espécime de modo que as franjas fiquem centralizadas. Gire a esfera manualmente ou incline a platina para que a marca de desgaste entre em vista e também esteja horizontal, se possível.

Utilize lentes de aumento intermediário para obter uma imagem na qual a área desgastada de interesse preencha amplamente a tela. Ao fazer isso, melhore a resolução, ajuste a iluminação e a altura de varredura para obter o melhor mapa topográfico. Ao coletar dados, varra o espécime de acordo com as instruções do instrumento.

Preencha quaisquer dados ruins ou ausentes usando a função de interpolação e, em seguida, salve o mapa usando uma vista isométrica 3D. Esta imagem mostra uma área trançada AB da bola. A análise dessa superfície exige a remoção da curvatura da imagem para que a superfície original da bola pareça plana.

O volume da depressão pode então ser medido na vista 2D; selecione uma área de interesse que exclua a marca de desgaste. Aqui, a tonalidade verde indica 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 apenas com a área de interesse que você marcou.

Selecione a ferramenta de ajuste de curva do software que removerá a curvatura. Por exemplo, polinomial de quinto grau. Escolha a opção para atuar na área incluída, de modo que a cicatriz não influencie na remoção da curvatura.

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

O volume da marca de desgaste é medido no software de processamento de imagens utilizando a ferramenta de medição. Qualquer forma pode ser usada aqui. Uma ferramenta de medição elíptica azul é utilizada para circundar a marca de desgaste.

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

Pode-se fazer uma estimativa de qualquer erro sistemático movendo a região de medição para longe da marca de desgaste e observando que o volume de desgaste medido, que deveria ser zero, é de fato muito pequeno. A medição do volume de uma marca de desgaste em uma superfície plana é mais direta do que no caso de uma esfera. Para iniciar a análise, obtenha uma imagem do sulco ou da marca de desgaste.

É geralmente uma boa prática remover qualquer inclinação do espécime, e as franjas de interferência se separarão. Quando a inclinação for removida, varra a amostra. Uma ranhura deve ser imageada.

Esta imagem é uma vista isométrica. A superfície deve estar horizontal. Se não estiver.

Mascare a área da cicatriz e aplique uma correção de inclinação do plano ao restante da superfície. Além disso, ajuste a altura média da superfície não mascarada para zero. Neste exemplo, a orientação inicial era quase perfeita.

Em seguida, utilize a ferramenta de medição para determinar o volume da vala. Os resultados numéricos deste exemplo indicam um volume evitado de 47.018 micrômetros cúbicos, um volume de material de 68 micrômetros cúbicos acima da superfície, resultando em uma perda líquida de 46.950 micrômetros cúbicos. Esta é a quantidade de material perdido ao longo do comprimento da marca de desgaste.

Na prática, muitas vezes a superfície é apenas rugosizada. Em um segundo exemplo mostrado aqui, os volumes de vazio e de material são quase iguais entre si e pouco material foi efetivamente removido. A análise volumétrica de uma cratera produzida por esputterização iônica ou ablação a laser é direta para iniciar a análise: obtenha uma imagem com a cratera próxima ao centro e adquira os dados de varredura.

Alguns interferômetros de luz branca podem ter mais de um modo de operação para características rasas. Deve-se utilizar o modo de varredura por interferometria com deslocamento de fase. Esse é o modo utilizado neste exemplo muito raso.

Neste exemplo, observa-se que a área ao redor da cratera não é perfeitamente plana devido a etapas anteriores de processamento, e também o eixo Z está deslocado para eliminar a influência da área irregular ao redor. Pode-se usar uma ferramenta de recorte 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 esteja em z igual a zero.

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

Novamente, a região destacada em azul terá seu volume de material e volume de vazio medidos. O volume líquido da cratera é de 86.146 mícrons cúbicos. Para análise de tempo em relação à 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 profilometria óptica foi utilizada nestes exemplos para medir amostras-teste em engenharia e ciência dos materiais. O método pode ser empregado em outras áreas, inclusive na área biomédica, para o estudo de superfícies de cartilagem. Tivemos a ideia inicial para este método quando descobrimos que outras técnicas simplesmente não eram adequadas para nossas tarefas.

Por exemplo, a microscopia de força atômica tem alcance de varredura muito limitado. Estilos mecânicos. A imagem periférica é apenas unidimensional, e a microscopia eletrônica de varredura, em muitos casos, fornece essencialmente apenas imagens planas.

Esta demonstração visual do método é útil porque dá às pessoas não familiarizadas com a técnica uma ideia de como ela funciona. Espera-se que isso leve outras pessoas a aplicar a interferometria de luz branca em sua própria área de estudo.