İyon Püskürtme Uygulamaları, Lazer Ablasyon ve Triboloji Deneyler: Beyaz Işık Interferometre ile yüzey modifikasyonları Karakterizasyonu

Optik Profilometri, büyük veya küçük nesnelerin yüzey yüksekliklerini alt mikron hassasiyetle ölçmek için kullanılan temassız bir yöntemdir. Aşağıdaki deneyin genel amacı, küçük alanların topografyasını ölçmek için hızlı bir yöntem olarak beyaz ışık interferometrik mikroskobu kullanmaktır; bu yöntem, mekanik aşınma süreçleri sırasında veya iyon sıçratma kraterleri ya da lazer ablasyonu gibi malzeme aşındırma süreçlerinde kaybolan malzeme miktarının ölçülmesini sağlar. Bu ölçüm, öncelikle bir beyaz ışık interferans mikroskobu kullanılarak test yüzeylerinin üç boyutlu profillerinin elde edilmesiyle gerçekleştirilir.

Uyumsuz beyaz ışık, belirgin girişim desenleri oluşturacaktır. Yalnızca yol uzunluğu gecikmeleri aynı olduğunda, bunlar yaygın olarak mevcuttur. Yoğun lazer ışınlaması veya enerjik iyonlar nedeniyle oluşan orijinal yüzeydeki değişimleri belirlemek için yazılımsal ölçüm araçları kullanılır.

Bu işlem, değiştirilmiş yüzeyin orijinal düz ve pürüzsüz yüzeyden çıkarılmasıyla gerçekleştirilir. Bu işlem sırasında, kavisli bir yüzey üzerindeki aşınma izinde olduğu gibi, yüzeyi düz bir düzlem haline getirmek için yüzeydeki eğriliği giderecek yazılım araçlarının kullanılması gerekebilir. Yöntemin iki farklı alana nasıl uygulanabileceği gösterilmiştir.

İlk olarak, tribolojik test numunelerindeki mekanik aşınma analizi, aşınma ve aşınma izleri incelenir; ikinci olarak ise malzeme biliminde, iyon demeti püskürtme veya lazer ablasyon hacimleri ve derinliklerini belirlemek için kullanılır. Bu tekniğin; stilüs, profilometri veya boyuta dayalı yaklaşımlar gibi diğer yöntemlere göre temel avantajı, yöntemin detaylı üç boyutlu görüntüler üretmesi nedeniyle hızlı ve doğru olmasıdır. Lazer ablasyonu veya iyon demeti püskürtme kaynaklı olanlar gibi, düzensiz veya düzenli kraterlerin ölçülmesinde oldukça kullanışlıdır.

İkinci olarak, triboloji alanında aşınma miktarları oldukça küçük olabilir ve basit mikroskop tahminlerine dayalı yaklaşımlar yanıltıcı olabilir. Doğru sonuçlar raporlanacaksa, deforme olmuş bölgenin gerçek şeklinin elde edilmesi gereklidir. Aynı durum, örneğin, kaldırılan derinliğin yalnızca 10 nanometers mertebesinde olabildiği sıçratma deneyleri için de geçerlidir. Bir optik profilometre ve topografik yazılım kullanımını sağlayarak başlayın.

Bu gösterimde bir mikro inceleme, 100 beyaz ışık girişim mikroskobu ve taramalı prob görüntü işlemci yazılımı kullanılmaktadır. Aşağıdaki adımlar, triboloji veya yağlama biliminde yapılacağı şekilde, bir bilye üzerindeki küçük bir aşınma izinin hacminin nasıl ölçüleceğini göstermektedir. Bu sunumu mümkün olduğunca genel tutmak adına, herhangi bir otomatik işlem kullanılmamıştır.

İlk adım, numunenin ölçüm tablasına yerleştirilmesidir. Küreyi, uygun ve stabil herhangi bir destek kullanarak profilometre tablasına yerleştirin. İlgilenilen özelliğin yukarıya bakmasını sağlayarak, düşük büyütmeli bir objektif kullanın ve küreyi doğrudan merceğin altına konumlandırın.

Girişim saçaklarının ekranın merkezine yakın görünmesi için numunenin dikey konumunu ayarlayın. Kavisli bir yüzey için, saçaklar merkezlenecek şekilde numuneyi yönlendirin. Aşınma izi görünür hale gelene kadar ve mümkünse yatay konuma gelecek şekilde küreyi elinizle döndürün veya sahneyi eğin.

İlgilenilen aşınmış alanın ekranı büyük ölçüde doldurduğu bir görüntü elde etmek için orta büyütmeli lensler kullanın. Bu işlem çözünürlüğü artırır; en iyi topografik haritayı elde etmek için aydınlatmayı ve tarama yüksekliğini ayarlayın. Verileri toplarken, örneği cihaz talimatlarına uygun olarak tarayın.

Hatalı veya eksik verileri interpolate fonksiyonunu kullanarak doldurun ve ardından haritayı 3D izometrik görünüm kullanarak kaydedin. Bu görüntü, topun AB örgü alanını göstermektedir. Bu yüzeyin analizi, topun orijinal yüzeyinin düz görünmesi için görüntüdeki eğriliğin giderilmesini gerektirir.

Çöküntü hacmi daha sonra 2D görünüm üzerinde ölçülebilir; aşınma izini hariç tutan bir ilgi alanı seçin. Burada, yeşil gölge hariç tutulan bölgeyi belirtmektedir. Görüntü analiz programının yüzey düzeltmesini tüm alana uyguladığından, ancak uydurma işleminin yalnızca işaretlediğiniz ilgi alanı kullanılarak yapıldığından emin olun.

Eğriliği giderecek yazılım eğri uydurma aracını seçin. Örneğin, beşinci derece polinom. Skarın eğriliğin giderilmesini etkilememesi için dahil edilen alan üzerinde işlem yapma seçeneğini seçin.

Alanının yeterli doğrulukta düz olduğundan emin olmak için kalibrasyonu birkaç kez çalıştırmak gerekebilir. Ortalama seviyeyi sıfıra ayarlayın. Daha koyu renkli dairesel bölge çöküntüdür.

Aşınma izinin hacmi, görüntü işleme yazılımındaki ölçüm aracı kullanılarak ölçülür. Burada herhangi bir şekil kullanılabilir. Aşınma izini çevrelemek için mavi eliptik bir ölçüm aracı kullanılmıştır.

Yazılım ölçüm aracının, seviye düzleminin üzerindeki malzeme miktarı ile seviyenin altında kaybolan malzeme miktarını toplayan bir özelliğe sahip olması gerekir. Bu özel örnekte, ek pencere malzeme hacminin 136 mikron küp olduğunu göstermektedir. Boşluk hacmi 2.733 mikron küptür ve bu da 2.597 mikron küplük bir net aşınma vermektedir.

Herhangi bir sistematik hatanın tahmini, ölçüm bölgesi aşınma izinden uzaklaştırılıp, sıfır olması gereken ölçülen aşınma hacminin gerçekten çok küçük olduğunun gözlemlenmesiyle yapılabilir. Düz bir yüzey üzerindeki aşınma izinin hacminin ölçümü, bir küreye göre daha kolaydır. Analize başlamak için, kanal oluğunun veya izin bir görüntüsünü elde edin.

Herhangi bir numune eğikliğinin giderilmesi genellikle iyi bir uygulamadır ve bu işlemle girişim saçakları birbirinden ayrılacaktır. Eğiklik giderildiğinde numuneyi tarayın. Bir oluk görüntülenmelidir.

Bu görüntü izometrik bir görünümdür. Yüzey yatay olmalıdır. Eğer değilse.

Skar bölgesini maskeleyin ve yüzeyin geri kalanı için düzlem eğim düzeltmesi uygulayın. Ayrıca maskelenmemiş yüzeyin ortalama yüksekliğini sıfıra ayarlayın. Bu örnekte, başlangıç yönelimi neredeyse mükemmeldi.

Ardından, hendek hacmini belirlemek için ölçüm aracını kullanın. Bu örneğin sayısal sonuçları, 47, 018 cubic micron'luk bir aşınma hacmi ve yüzeyin üzerinde 68 cubic micron'luk bir malzeme hacmi ile toplamda 46, 950 cubic micron'luk bir net kayıp vermektedir. Bu miktar, aşınma izi uzunluğu boyunca kaybedilen malzeme miktarıdır.

Pratikte, yüzeyin sadece pürüzlendirildiği durumlar sıklıkla görülür. Burada gösterilen ikinci örnekte, boşluk ve malzeme hacimleri birbirine neredeyse eşittir ve gerçekte çok az malzeme uzaklaştırılmıştır. Bir iyon püskürtme veya lazer ablasyon kraterinin hacim analizini başlatmak oldukça basittir; kraterin merkezde olduğu bir görüntü elde edin ve tarama verilerini toplayın.

Bazı beyaz ışık interferometreleri, sığ özellikler için birden fazla çalışma moduna sahip olabilir. Tarama işlemi için faz kaydırmalı interferometri modu kullanılmalıdır. Bu, mevcut çok sığ örnekte kullanılan moddur.

Bu örnekte, önceki işlem basamakları nedeniyle krateri çevreleyen alanın tamamen düz olmadığı ve ayrıca düzensiz çevre alanının etkisini ortadan kaldırmak için Z ekseninin kaydırıldığı görülmektedir. Alanı beyaz kutu ile gösterilen kısmıyla sınırlandırmak için bir kırpma aracı kullanılabilir. Görüntü, çevredeki bozulmamış alan z eşittir sıfır olacak şekilde kaydırılmalıdır.

İstenirse, bu işlem bir çerçeve veya Z ofset aracı kullanılarak yapılabilir. Kraterin doğru hizalandığı 3D görünüm kullanılarak doğrulanabilir. Krater artık standart ölçüm aracıyla ölçülebilir.

Tekrar, maviyle vurgulanan bölgenin malzeme hacmi ve boşluk hacmi ölçülecektir. Kraterin net hacmi 86, 146 mikron küptür. Zaman-derinlik analizi için derinliği, asimetriyi, duvar eğimini ve benzerlerini ölçmek amacıyla çeşitli çizgi profil araçları kullanılabilir.

Bu örneklerde optik profilometri, mühendislik ve malzeme bilimi için test numunelerini ölçmek amacıyla kullanılmıştır. Bu yöntem, kıkırdak yüzeylerin incelenmesi gibi biyomedikal alanlar da dahil olmak üzere diğer alanlarda da kullanılabilir. Diğer tekniklerin görevlerimiz için uygun olmadığını fark ettiğimizde bu yöntem fikri ilk kez ortaya çıkmıştır.

Örneğin, atomik kuvvet mikroskopisinin tarama aralıkları çok sınırlıdır. Mekanik stiller. Periferik görüntüleme yalnızca tek boyutludur ve taramalı elektron mikroskopisi birçok durumda temel olarak sadece düz görüntüler verir.

Yöntemin bu görsel gösterimi, tekniğe aşina olmayan kişilere nasıl çalıştığına dair bir fikir verdiği için faydalıdır. Bunun, diğer kişileri beyaz ışık interferometrisini kendi çalışma alanlarına uygulamaya teşvik edeceği umulmaktadır.