Die bestrahlte GaAs-Probe wurde von Yang Cui von der Universität von Illinois in Chicago zur Verfügung gestellt. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Vertrages unterstützt Nr. DE-AC02-06CH11357 zwischen UChicago Argonne, LLC und dem US Department of Energy und der NASA durch Zuschüsse NNH08AH761 und NNH08ZDA001N, und das Amt des Vehicle Technologies des US Department of Energy unter Vertrag DE-AC02 -06CH11357. Die Elektronenmikroskopie wurde am Electron Microscopy Center for Materials Research am Argonne National Laboratory, ein US-Department of Energy Office of Science Labor, unter Vertrag DE-AC02-06CH11357 durch UChicago Argonne, LLC betrieben durchgeführt.

Ein. Hardware Alignment für General WLI Scan Um quantitative Informationen über WLI erhalten, können die folgenden Schritte als Richtlinie dienen. Es wird angenommen, dass der Bediener Grundkenntnisse Interferometer Operation hat. Die Richtlinien sind häufig unabhängig von der jeweiligen Instrument. Bei einigen Untersuchungen wird die Probe flach sein. Für andere kann die Probe gebogen sein. <ol><li> Legen Sie die Probe auf der Bühne mit dem Feature (Ionen gesputtert Krater, Ionenstrahl / abgetragenen Stelle, oder tragen Narbe) nach gerade nach oben. Verwenden Sie eine niedrige vergrößerndes Objektiv und fokussieren Sie das Gerät auf sie. Für beste Auflösung zu erhalten ein Bild, in dem das Objekt des Interesses weitgehend füllt den Bildschirm, siehe Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Kugel. </li><li> Einstellen der vertikalen Position der Probe, so dass Interferenzstreifen in der Nähe des interessierenden Merkmals angezeigt. Für eine ebene Fläche ist es wünschenswert, dass die Probe geneigt ist, daß die Ebene ist perpendicular zur optischen Achse, dh der Streifenabstand groß sein wird. Für eine gekrümmte Oberfläche (zB eine Kugel), sollte die Probe so orientiert sein, dass die Fransen zentral um die Funktion befindet, wie in 3. </li><li> Besorgen Sie sich einen Scan nach den Geräteanleitung. Es kann notwendig sein, um die Beleuchtungs-oder Scan Höhe einzustellen, um das beste topographische Karte zu erhalten. Füllen Sie die fehlerhafte oder fehlende Daten über die Interpolation Funktion und speichern Sie dann die topographische Karte. </li></ol> 2. Volume Analysis Using Generic Software In der Tribologie, Prüfmaschinen verwenden oft nicht-konformen Kontakt Testen Geometrien wie beispielsweise eine Kugel oder ein Zylinder, verschoben oder gedreht wird, gegen eine ebene oder eine andere Zylinder. Typischerweise wird das Material an der Stelle der Gleitberührung verloren, obwohl manchmal Material von einer Oberfläche zur anderen übertragen kann, und diese &quot;Übertragungslage&quot; wird ein Überschuss von Material auf über messendene der Kontaktierung Proben. Weil die Verschleißnarbe ist dreidimensional und unregelmäßig in der Natur können optische Profilometrie die einzige Technik geeignet zum Erhalten genauer Verschleißvolumen Messungen sein - Näherungen sind ungültig. Das Ziel besteht darin, die sehr geringe Mengen an Material, das verloren gehen (oder gewonnen) im Kontaktierungsbereich werden kann bei der Beendigung eines Tests zu messen. Das Grundprinzip der Messung ist, eine mathematische Ebene auf der Ebene der ungestörten Oberfläche zu definieren: Oberflächenanalyse Software annimmt, dass es einen &quot;festen Oberfläche&quot; (Null-Pegel), was über diesem Niveau &quot;leer&quot;. Die Analyse-Funktion, die den integrierten Volumen misst entfernt unterhalb der Ebene der &quot;festen Oberfläche&quot; wird hiernach als &quot;Hohlraumvolumen&quot;. Die Funktion, die integrierte Volumen oberhalb der Ebene der &quot;festen Oberfläche&quot; (zB eine Ansammlung von Schmutz) misst wird als &quot;Materialvolumen&quot; werden. Echte ungestörten Flächen are selten ganz glatt und flach. Für die größte Genauigkeit bei der Messung kleiner Merkmale ist es gute Praxis, um einen Bereich von Interesse (AOI) definieren; der Bereich außerhalb von denen aus der Analyse ausgeschlossen. Die AOI wird verwendet, um den Messbereich einzuschränken, da Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche Zusatzvolumen tragen zu den Berechnungen, die nicht wirklich aus dem Störbereich. 3. Flache Surface - Mechanische Wear Analysis <ol><li> Band Analyse einer flachen Oberfläche mit einem Graben Narbe oder Depression, sei es durch mechanische Abnutzung, Ionenstrahlsputtern, Laserablation oder erzeugt wird, ist einfach durchzuführen. Erhalten Sie ein Bild wie in Abbildung 4 links, die eine mechanische Narbe auf einer polierten Edelstahl Oberfläche zeigt. Wählen Sie ein AOI, die die Depression schließt und dann verwenden, was Neigung und / oder Krümmung Entfernen-Funktion zur Verfügung, um die ungestörte Oberfläche, um maximale Planheit Ebene ist. Dann nutzen Sie die Software, um die durchschnittliche Oberflächentemperatur Höhe Z = gesetzt0. Abbildung 4 rechts ist ein Pseudo Ansicht einer Narbe auf einer ebenen Fläche nach diesen Schritten. In dieser Ansicht ist die Ausgeschlossenen &quot;Hohlraumvolumen&quot; ist rot eingefärbt. In diesem Farbschema bezeichnet die dunkelbraune niedrigen Bereichen, während Orange steht für hohe Bereiche. </li><li> Löschen Sie die AOI. Wenn die Software eine automatisierte Volumen Messfunktion, legen Sie eine Region der Messung über die Narbe. In dieser Software wird die Messfunktion tally die &quot;void und Material Band&quot; mit blauer Tönung in Abbildung 5 dargestellt. Insgesamt Verschleiß &quot;Material Band&quot; oberhalb der Ebene subtrahiert &quot;Hohlraumvolumen.&quot; Dies ist die Volumenänderung der gestörte Oberfläche. (Für Software, die nicht über diese Funktion, aber ein Histogramm haben, oder klar zu visualisieren, welche Bereiche über der Oberfläche angehoben oder unterhalb der Oberfläche, überspringen Sie Schritt 3,2 und gehen bis 3,3 fort.) </li></ol> Die folgenden drei Schritte beschreiben ein alternatives Verfahren zum Messen Verschleißvolumen. <ol start="3"><li> Kehren Sie die AOIvon Schritt 3,1, damit die Narbe Region analysiert (die Narbe ist jetzt im Lieferumfang enthalten). </li><li> Generieren eines Histogramms von den Daten. Das Histogramm ist eine graphische Darstellung der vertikalen Höhe auf der Abszisse gegen die Häufigkeit des Auftretens auf der Ordinate. Setzen Sie einen Cursor auf der Z = 0-Stellung (Abbildung 6 links). Dies kann nicht an der Spitze des Histogramms ist. In dieser Figur ist die Cursor wurden bis selektiv analysieren nur das fehlende Material unterhalb der Ebene gesetzt. Die Software integriert das Gesamtvolumen zwischen den beiden Cursorn. Die rote getönte Bereich zeigt, was weggelassen wird. Die orange ungefärbten Bereiche in Abbildung 6 rechts unterhalb der Oberfläche. Das Histogramm Funktion sollte erzeugen einen &quot;Hohlraumvolumen&quot;-Nummer mit den Cursor positioniert ist, wie gezeigt, um das Material von der Oberfläche verloren messen. </li><li> Mit der gleichen Histogramm, platzieren Sie den anderen Cursor diesmal am Z = 0 Höhenposition (Abbildung 7 links), und der andere auf der gegenüberliegenden Seite. Die orange ungefärbten Bereichen <strong&gt; Abbildung 7 rechts sind über der Oberfläche. Die Histogramm-Funktion sollte eine &quot;wesentliche Volumen&quot; zu generieren, hob dh überschüssige Material oberhalb der flachen Oberfläche. Insgesamt Verschleiß &quot;Material Band&quot; subtrahiert &quot;Hohlraumvolumen,&quot; das gleiche wie in Schritt 3.2. Das Histogramm Methode sollte das gleiche Verschleißvolumen wie in Schritt 3.2, aber es stellt zusätzliche Angaben über die Verteilung der angehoben und abgesenkt Material und zeigt eine Karte der Verteilung der diesem Bereich. </li></ol> Im obigen Beispiel gibt es keine Netto-Material aus dem Verschleißnarbe verloren, stattdessen gibt es materiellen Gewinn. Das ist ungewöhnlich, aber manchmal geschieht, wenn das Material überträgt von einem Test Gegenfläche zum anderen. Die gleichen &quot;flache Oberfläche Charakterisierung&quot; Ansätze sind vorteilhaft zur Erzielung Volumina in Experimenten mit Ionenzerstäubung und Laserablation, in den folgenden Beispielen als entfernt. 4. Flache Surface - Krater und Ion Beam ProDateien Maße zu schätzen Sputterausbeute, und Time-to-Tiefe Kalibrierung durchführen Als Alternative zu den bekannten und weithin angewandte Methode zur Schätzung Sputtern Ausbeuten unter Verwendung von Massen-Verlust-Methode, auf direktes Wiegen oder Quarz Mikrokristall Balance, 8, 9 finden wir, dass die WLI Methode nützlich ist für die direkte Visualisierung der Basis von gesputterten Ionenstrahl Spots / Krater durch statische Sputtern / Rasterabtastung eines Ionenstrahls. Abbildung 8 erhaltenen vergleicht longitudinalen Querschnitte eines Flecks (grüne und blaue Feststoff gestrichelt) eines senkrecht einfallenden statischen 5 keV und 150 eV Ar + Ionenstrahlen gegen ihren Kratern (Oliven offenen Kreisen und Cyan offene Rauten) von 100 × 100 Pixel digitale Rasterabtastung des gleichen Ionenstrahls über die Oberfläche einer Cu (110)-Einkristall erhalten wird. Die Kurve entsprechend den statischen Strahl überlappt einer Kante des Kraters zu demonstrieren, wie Rasterabtastung der Ionenstrahl den Krater erzeugt im Sputter diefe Profilierung. 5. Ebenen Fläche - Charakterisierung von Ultrafast Laser Ablation Ultraschnelle Laser-Ablation als ein Verfahren zum Entfernen von Material von einem festen gleichzeitiger Minimierung der Wärmeeinflusszone anerkannt. 10 Dieses Verfahren ermöglicht hohe Mikrobearbeitung mit hohen Seitenverhältnissen und minimale Schäden (Risse, Oxidation) mit dem übrigen Material und die Möglichkeit eröffnet, effizienter Ablation von transparenten Materialien. 11 In jüngerer Zeit hat das Interesse an den ultraschnellen Ablation als analytisches Werkzeug entwickelt. 12-15 Die hohe Nichtlinearität des Ablationsverfahren stellt auch ein Mittel zur Reduzierung der abgetragenen Fleckgröße deutlich unter dem bestrahlten Fleckgröße ( wie sie typischerweise von 1 / e 2) definiert ist und auch unterhalb der Beugungsgrenze, wie nachgewiesen wurde. 16 Tiefenauflösung, während nicht wettbewerbsfähig mit den besten Ionenstrahl Methoden kann &lt;20 nm betragen. Abtragsraten kann leicht erhöht werdennichtlinear durch Erhöhen der Laserfluenz, ist, so dass sehr schnelle Profilierung durch Mikrometer Material möglich. Idealerweise Charakterisierung Materialabtrag durch ultraschnelle Ablation erfordert eine Technik, die eine schnelle und quantitative und gut kalibriert ist, alle Merkmale von WLI erfüllt. Abbildung 9 zeigt Pseudocolor Bilder von zwei benachbarten Krater durch repetitive Ablation von GaAs mit einem ultraschnellen (60 fs, 800 nm) Laserstrahl fokussiert, um eine Punktgröße von ≈ 8 um und mit Fluenzen entsprechend 0,4 und 1,0 J / cm 2. Gebildet 6. Curved Surfaces - Mechanische Wear Analysis Band Analyse einer gekrümmten regelmäßigen Oberfläche (Kugel oder Zylinder) ist ähnlich dem eines flachen, aber erfordert Krümmung Entfernung. Das folgende Protokoll zeigt eine Analyse eines kreisförmigen Verschleißnarbe auf einer Stahlkugel. Um die Lautstärke von einem Ball verloren zu finden, ist es notwendig, mathematische Verarbeitung zu tun, um einen Ball mit einer Transformationebene Fläche in einer flachen Ebene mit einer Vertiefung, dann messen die Lautstärke der Vertiefung wie in Abschnitt 3 auf ebenen Flächen erfolgen. Verschleißanordnung Narbe auf einer Kugel gemessen werden, unter Verwendung des ersten einfachere automatische Technik, dann mit dem Histogramm-Technik. <ol><li> Abbildung 10 links zeigt eine isometrische Ansicht eines Verschleißnarbe auf einer Kugel. Wählen Sie ein AOI Das schließt den Verschleiß Narbe, und wählen Sie die Software Kurvenanpassung Tool, das die Oberfläche verändern wird, so dass es eine abgenutzte Vertiefung in der Mitte eines ungestörten ebene Fläche ist. Weil Krümmung Entfernung kann eine iterative Technik kann es erforderlich sein, um die Passform mehrmals, so dass der ungestörten Bereich flach an Pegelgenauigkeit nm wird ausgeführt. Jede sichtbare Uneinheitlichkeit außerhalb des Verschleißnarbe weist auf ein Problem und die Berechnung nicht korrekt sein. Stellen Sie die durchschnittliche Höhe außerhalb der Narbe Z = 0 ist. Abbildung 10 rechts zeigt eine Pseudo Angesichts der Narbe nach Krümmung Entfernung und Einstellung Z = 0 mit einem AOI richtigMaskierung des abgenutzten Bereich. </li><li> Verwenden des Messwerkzeugs, wenn verfügbar, um den Verschleiß, wie in 11 gezeigt analysiert werden. Insgesamt Verschleiß Volumen &quot;Material Band&quot; aus dem subtrahiert &quot;Hohlraumvolumen.&quot; </li></ol> Die folgenden Schritte beschreiben eine alternative Methode zur Messung der Verschleiß Volumen. <ol start="3"><li> In der gleichen Weise wie in Schritt 3.3, kehren die AOI so dass der Verschleiß Narbe ist enthalten. Generieren eines Histogramms von den Daten. Setzen Sie einen Cursor auf der Z = 0-Stellung (Abbildung 12 links). Die orange ungefärbten Bereiche in Abbildung 12 rechts unterhalb der Oberfläche. Die Histogramm-Funktion sollten einen &quot;void volume&quot;-Nummer. </li><li> Mit der gleichen Histogramm, platzieren Sie den anderen Cursor diesmal am Z = 0 Höhenposition (Abbildung 13 links), und der andere auf der gegenüberliegenden Seite. Die orange ungefärbten Bereiche in Abbildung 13 rechts sind über der Oberfläche. Die Histogramm-Funktion generieren soll eine &quot;wesentliche volume&quot;-Nummer. GesamtVerschleißvolumen ist &quot;Materialvolumen&quot; oberhalb der Ebene aus &quot;Hohlraumvolumen&quot;, die gleiche wie in Schritt 3,2 subtrahiert. Das Histogramm berechnen Methode sollte die gleiche Verschleißvolumen wie in Schritt 6.2, aber es stellt zusätzliche Angaben über die Verteilung der angehoben und abgesenkt Material und zeigt eine Karte der Verteilung der diesem Bereich. </li></ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Beispiel 1 WLI ist nicht weit zur Charakterisierung von Oberflächen in tribologischen Arbeit verwendet, aber es ist in der Tat eine leistungsfähige Methode zur quantitativen Messung der Verschleiß Volumen für viele Kontakt-Geometrien. WLI produziert ein komplettes 3D-Darstellung der Oberfläche, die unter Verwendung eines von mehreren Visualisierung Software-Pakete werden können. Diese Pakete ermöglichen verschiedene Arten von Messungen durchgeführt werden. Für eine größere laterale A...

Die Oberfläche von festen Materialien bestimmt in hohem Maße interessierenden Eigenschaften für diese Materialien: elektronisch, strukturell und chemisch. In vielen Bereichen der Forschung, die Zugabe von Material (zB Dünnschicht Abscheidung durch gepulste Laser / Magnetronsputtern Abscheidung, physikalischer / chemischer Gasphasenabscheidung), Entfernen von Material (Reactive Ion Etching, Ionenzerstäubung, Laserablation, etc.), oder einige andere Verfahren müssen charakterisiert werden. Darüber hinaus hat Oberflächenmodifizierung durch Interaktion mit energetischen Lichtpulse oder geladenen Teilchen eine Vielzahl von Anwendungen und ist von fundamentalem Interesse. Tribologie, die Studie von Reibung und Verschleiß, ist ein weiterer Bereich von Interesse. Auf einem Tisch Maßstab, gibt es eine Vielzahl von tribologischen Testgeometrien. Nicht-konformen Kontakt Geometrien können verwendet werden, und eine Kugel oder Zylinder sein kann geschoben oder gedreht gegen eine ebene Fläche, eine andere Kugel oder der Zylinder, für eine Zeitdauer und die Menge des Materials, das entfernt wird, ist mirgesicherter. Weil die Verschleißnarbe ist dreidimensional und unregelmäßig in der Natur können optische Profilometrie die einzige Technik geeignet zum Erhalten genauer Verschleißvolumen Messungen. Gemeinsame Analyse Aufgaben gehören auch Oberflächenrauhigkeit Parametern, Stufenhöhe, Materialverlust Volumen, Grabentiefe, und so weiter, alle von ihnen können zusätzlich zu einfachen 2D-und 3D-Visualisierung Topographie erhalten werden. Optische Profilometrie bezieht sich auf jede optische Methode, mit der das Profil der Oberfläche rekonstruiert wird. Profilometrische Verfahren schließen weißes Licht Interferometrische Laser oder konfokalen Methoden. Einige optische Profilometer erhalten Informationen über Ansätze, die auf konventionellen beugungsbegrenzte Mikroskop Ziele. Zum Beispiel kann ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einem topographischen und wahre Farbinformationen Oberflächen zu erhalten integriert werden. Ein zweites Verfahren verwendet eine Technik, die die extrem kleinen Tiefenschärfe des herkömmlichen Ziele ausnutzt, um eine ernst zusammenzubauenn der In-Fokus &quot;Bildscheiben&quot; der Oberfläche, um ein 3D topographische Karte zu erhalten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie ein weißes Licht interferometrischen Mikroskop / Profilometer die Messung der Menge an Material während der mechanischen Verschleiß Prozesse verloren ermöglicht, oder während Material Ätzverfahren wie Ionenzerstäubung Krater oder Laserablation. Die größte Aufmerksamkeit gilt der Methodik dieser Methode gezahlt seiner großen installierten Kapazität, die es überall verfügbar und attraktiv für eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht illustrieren. Die meisten Arten von WLI beschäftigen die Mirau Technik, die einen Spiegel verwendet interne zum Mikroskopobjektiv, um Interferenzen zwischen einem Bezugs-Lichtsignal und dem reflektierten Licht von der Probenoberfläche zu bewirken. Die Wahl des Mirau Interferometrie wird durch einfache Bequemlichkeit diktiert, weil die gesamte Mirau Interferometer innerhalb des Mikroskopobjektivlinse angepasst werden können und mit einem regelmäßigen optischen Mikroskop (Abbildung 1). Eine Serie von zweidimensionalen interferograms sind mit einer Videokamera aufgenommen, assembliert und Software ein 3D topographische Karte. Der weiße Lichtquelle liefert breites Spektrum Beleuchtung, die die &quot;fringe Ordnung&quot; Mehrdeutigkeit einer monochromatischen Quelle überwinden hilft. Eine monochromatische Lichtquelle verwendet werden, um eine genauere Messung der flachen topographische Merkmale zu erhalten. Die laterale Auflösung grundlegend mit λ / 2 (numerische Apertur, NA = 1) begrenzt, aber in den meisten Fällen größer ist, wobei die NA des Objektivs, die wiederum verbunden ist, um die Vergrößerung / field-of-view Größe bestimmt. Tabelle 1 in Lit.. 1 hat einen direkten Vergleich aller genannten Parameter. Tiefenauflösung Ansätze ≈ 1 nm, eine Funktion der interferometrischen Natur der Technik. Weitere Informationen zu Mirau WLI in Refs gefunden werden. 2, 3. Eine Einführung auf weißem Licht interferometrischen Ansatz kann in Ref gefunden werden. 4. Andere Verfahren zur Analyse von Oberflächen sind atomare force-Mikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Stylus Profilometrie. Das Verfahren vergleicht WLI günstigerweise auf diese Verfahren und hat seine eigenen Vorteile und Nachteile, die aufgrund der optischen Art des Verfahrens sind. Die AFM kann Erlangung von 3D-Bildern und somit entsprechende Querschnitte, sondern hat nur eine begrenzte AFM Scan-Fähigkeit in den seitlichen (&lt;100 um) und Tiefe (&lt;10 um) Achsen. Im Gegensatz zu diesen ist der Hauptvorteil der WLI die flexible field-of-view (FOV) von bis zu wenigen Millimetern bei gleichzeitiger echte 3D-Imaging-Fähigkeit. Darüber hinaus zeigen wir, wie es hat breite vertikale Abtastbereich Kapazität, so dass man eine Vielzahl von Problemen der Oberflächenmodifizierung einfach lösen. Forscher, die mit AFM gearbeitet haben, sich des Problems bewusst mit dem Flugzeug Positionierung einer Probe bei der Messung längerer Merkmale der geringen vertikalen Gradienten. Generell kann eine WLI / OP als &quot;express&quot;-Technik über AFM denken. Natürlich gibt eseine Reihe von Bereichen, für die nur AFM eignet: wenn seitliche Funktionen zu lösen gilt charakteristischen Abmessungen kleiner ist als die laterale Auflösung WLI, oder Fälle, in denen Daten von WLI mehrdeutig ist aufgrund unbekannter oder komplexen optischen Eigenschaften einer Probe in einer Weise, dass beeinflusst die Genauigkeit der Messungen (die später diskutiert werden), etc. Die SEM ist eine leistungsfähige Methode, um Oberflächen aussehen, sehr flexibel in Bezug auf die FOV Größe mit großen Tiefenschärfe, größer als alle herkömmlichen optischen Mikroskops bieten kann. Gleichzeitig ist 3D-Bildgebung durch SEM umständlich, insbesondere da es unter der Stereo-Paar Bilder, die dann durch die 3D-Bilder anaglyphic Verfahren umgewandelt werden, oder durch Beobachtung mit optischen Betrachtern oder eingesetzt zur direkten Berechnung der Tiefen zwischen verschiedenen erfordert Punkte des Interesses an einer Probe. 5 Im Gegensatz dazu bietet WLI / OP Profilometrie easy-to-use 3D-Rekonstruktion bei gleichzeitig flexible FOV. WLI scannt durch die vollständigeHöhenbereich für die jeweilige Probe benötigt (von Nanometern bis mehreren hundert Mikrometern). WLI ist unbeeinflusst von der elektrischen Leitfähigkeit des Probenmaterials, was ein Problem mit SEM sein kann. WLI eindeutig erfordert kein Vakuum. Auf der anderen Seite gibt es eine Reihe von Anwendungen, für die SEM bietet überlegene Informationen: seitlichen Funktionen der charakteristischen Abmessungen unterhalb des lateralen Auflösung von WLI oder Fällen behoben werden, wo verschiedene Teile einer Probe topographisch unterschieden werden können, wenn nur Sekundärelektronen-Emissionskoeffizienten unterscheiden. Eine weitere Technik zur Oberflächeninspektion, die weit in Sekundärionen-Massenspektrometrie 6 und im Bereich der mikroelektromechanischen Systemen Charakterisierung 7 verwendet ist Stift Profilometrie. Diese Technik ist wegen seiner Einfachheit und Robustheit beliebt. Es basiert auf direkten mechanischen Kontakt Abtastung einer Tastspitze über die Probenoberfläche basiert. Dies ist eine grobe Kontakt-Tool, Welches in der Lage ist abzutasten entlang einer einzigen Linie zu einer Zeit. Es macht 3D-Oberflächen-Raster-Scan-Bildgebung extrem zeitaufwendig. Ein weiterer Nachteil des Taststiftes Technik ist die Schwierigkeit des Messens Oberflächenmerkmale hohen Seitenverhältnis und der Größe vergleichbar mit der charakteristischen Größe der Spitze (Submikron bis zu mehreren Mikrometern typischerweise), die einen Radius und eine Spitze Scheitelwinkel impliziert. Ein Vorteil der Stift Profilometrie ist seine Unempfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen optischen Eigenschaften einer Probe, die die Genauigkeit der WLI / OP-Messungen (wird später besprochen) beeinflussen können. Die Oberfläche Karten im vorliegenden Artikel wurden unter Verwendung eines herkömmlichen Mirau-Typ WLI (Abbildung 1). Viele Unternehmen wie Zygo, KLA-Tencor, Nanowissenschaften, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker und Taylor Hobson produzieren kommerziellen Tisch-OP-Instrumente. Die erfassten Karten wurden rekonstruiert und unter Verwendung kommerzieller Software der Art, die üblicherweise zur WLI, Scanning Electron, o verwendet wirdr-Sonden-Mikroskopie. Die Software hat die Fähigkeit, mathematische Manipulationen an der Oberfläche durchzuführen, Querschnittsprofil Analyse, ungültig und Materialvolumen Berechnungen und Ebene-Korrektur. Andere Software-Pakete automatisieren einige dieser Funktionen.

<table border="1"><tbody><tr><td> Einkristallsubstrate Si, GaAs und Cu </td><td></td><td></td><td> zum Sputtern und Ablation </td></tr><tr><td> Reine Metalllegierungen </td><td></td><td></td><td> für Tribologie Beispiele </td></tr></tbody></table>

characterization of surface modifications by white light interferometry: applications in ion sputtering, laser ablation, and tribology experiments

In Materialwissenschaften und Ingenieurwesen ist es oft notwendig, quantitative Messungen der Oberflächentopographie mit Mikrometer laterale Auflösung zu erhalten. Aus der gemessenen Oberfläche kann 3D topographische Karten anschließend analysiert werden mit einer Vielzahl von Software-Paketen, um die Informationen, die benötigt wird, zu extrahieren. In diesem Artikel werden wir, wie Weißlicht-Interferometrie und optische Profilometrie (OP) in der Regel mit generischen Oberfläche Analyse-Software kombiniert beschreiben, können für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik Aufgaben verwendet werden. In diesem Artikel werden eine Reihe von Anwendungen der Weißlicht-Interferometrie zur Untersuchung von Oberflächenmodifikationen in der Massenspektrometrie und Abnutzungserscheinungen in der Tribologie und Schmierung demonstriert. Wir charakterisieren die Produkte der Wechselwirkung von Halbleitern und Metallen mit energiereichen Ionen (Sputtern) und Laserbestrahlung (Ablation) sowie ex-situ Messungen der Verschleiß der tribologischen Probekörpern. </p&gt; Insbesondere werden wir diskutieren: <ol class="lroman"><li> Aspekte der traditionellen Ionenzerstäubung basierenden Massenspektrometrie wie Sputterraten / Ausbeuten Messungen an Si und Cu und nachfolgenden Zeit-zu-Tiefe-Konvertierung. </li><li> Ergebnisse der quantitativen Charakterisierung der Wechselwirkung von Femtosekunden Laserbestrahlung mit einer Halbleiter-Oberfläche. Diese Ergebnisse sind für Anwendungen wie Ablation Massenspektrometrie, wobei sich die Mengen des verdampften Materials untersucht und kann über Pulsdauer und Energie pro Impuls gesteuert werden wichtig. Somit kann durch die Bestimmung der Geometrie ein Krater definieren Tiefe und seitliche Auflösung gegenüber Versuchsaufbau Bedingungen. </li><li> Messungen der Oberflächenrauhigkeit Parameter in zwei Dimensionen und quantitative Messungen der Oberfläche tragen, die als ein Ergebnis von Reibung und Verschleiß auftreten Tests. </li></ol> Einige inhärente Nachteile, mögliche Artefakte und Unsicherheit Einschätzungen des weißen LichtsInterferometrie Ansatz wird diskutiert und erläutert werden.

<html><img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/50260/50260fig1.jpg" /> Abbildung 1 Foto von einem einfachen Profilometer in der vorliegenden Studie verwendet:. Ein Vielfaches Objektivrevolver ist im Bild zu sehen. Zwei Ziele sind Standard (10x und 50x), und zwei sind Mirau Ziele (10x und 50x). Dieses Mikroskop ist ein Zwischenprodukt Vergrößerungsfunktion, die schrittweise Vergrößerung Multiplikatoren von 0,62, 1,00, 1,25 oder 2,00 aus...

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Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

Weiß Lichtmikroskop Interferometrie ist eine optische, berührungslose und schnelle Methode zur Messung der Topographie von Oberflächen. Es wird gezeigt, wie das Verfahren zur mechanischen Verschleiß Analyse, wo Narben auf tribologische Proben analysiert werden tragen können angewendet werden, und in den Materialwissenschaften zur Ionenstrahlsputtern oder Laserablation Volumen und Tiefe zu bestimmen.

Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

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15.5K Aufrufe.  Argonne National Laboratory. Weiß Lichtmikroskop Interferometrie ist eine optische, berührungslose und schnelle Methode zur Messung der Topographie von Oberflächen. Es wird gezeigt, wie das Verfahren zur mechanischen Verschleiß Analyse, wo Narben auf tribologische Proben analysiert werden tragen können angewendet werden, und in den Materialwissenschaften zur Ionenstrahlsputtern oder Laserablation Volumen und Tiefe zu bestimmen.

Serie: Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

Herstellung und Charakterisierung von Photonic Crystal Langsam Lichtwellenleitern und Hohlräume

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

Forschung

Ingenieurwesen

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

Compact-Objektiv lose digitale holografische Mikroskop für MEMS-Inspektion und Charakterisierung

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

Printing Herstellung von Bulk-Heterosolarzellen und<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Charakterisierung

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Fabrication of White Light-emitting Electrochemical Cells with Stable Emission from Exciplexes

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active layer which consists of blue-fluorescent poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) (PFD) and &#960;-conjugated triphenylamine molecules. This white light emission originates from exciplexes formed between PFD and amines in electronically excited states. A device containing PFD, 4,4&#39;,4&#39;&#39;-tris[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamine (2-TNATA), Poly(ethylene oxide) and K2CF3SO3 showed white light emission with Commission internationale de l&#39;&#233;clairage (CIE) coordinates of (0.33, 0.43) and a Color Rendering Index (CRI) of Ra = 73 at an applied voltage of 3.5 V. Constant voltage measurements showed that the CIE coordinates of (0.27, 0.37), Ra of 67, and the emission color observed immediately after application of a voltage of 5 V were nearly unchanged and stable after 300 sec.

The authors present a method for fabricating stable white-light-emitting electrochemical cells utilizing emission from exciplexes formed between a blue-emitting fluorene polymer and aromatic amines.

Die Herstellung von Weißlichtemittierenden elektrochemischen Zellen, die mit stabile Emission von Exciplexe

The authors present an approach for fabricating stable white light emission from polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) having an active ...

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, interface precipitation, and mini-emulsion. In all methods, well-defined, micrometer-sized spheres are obtained from a self-assembling process in solution. The vapor diffusion method can result in spheres with the highest sphericity and surface smoothness, yet the types of the polymers able to form these spheres are limited. On the other hand, in the mini-emulsion method, microspheres can be made from various types of polymers, even from highly crystalline polymers with coplanar, &#960;-conjugated backbones. The photoluminescent (PL) properties from single isolated microspheres are unusual: the PL is confined inside the spheres, propagates at the circumference of the spheres via the total internal reflection at the polymer/air interface, and self-interferes to show sharp and periodic resonant PL lines. These resonating modes are so-called "whispering gallery modes" (WGMs). This work demonstrates how to measure WGM PL from single isolated spheres using the micro-photoluminescence (&#181;-PL) technique. In this technique, a focused laser beam irradiates a single microsphere, and the luminescence is detected by a spectrometer. A micromanipulation technique is then used to connect the microspheres one by one and to demonstrate the intersphere PL propagation and color conversion from coupled microspheres upon excitation at the perimeter of one sphere and detection of PL from the other microsphere. These techniques, &#181;-PL and micromanipulation, are useful for experiments on micro-optic application using polymer materials.

Protocols for the synthesis of microspheres from polymers, the manipulation of microspheres, and micro-photoluminescence measurements are presented.

Herstellung von Polymer-Mikrosphären für optische Resonator- und Laseranwendungen

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due to their long coherence time and their capability to manipulate and detect individual quantum bits (qubits). In more recent years, microfabricated surface ion traps have received more attention for large-scale integrated qubit platforms. This paper presents a microfabrication methodology for ion traps using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology, including the fabrication method for a 14 &#181;m-thick dielectric layer and metal overhang structures atop the dielectric layer. In addition, an experimental procedure for trapping ytterbium (Yb) ions of isotope 174 (174Yb+) using 369.5 nm, 399 nm, and 935 nm diode lasers is described. These methodologies and procedures involve many scientific and engineering disciplines, and this paper first presents the detailed experimental procedures. The methods discussed in this paper can easily be extended to the trapping of Yb ions of isotope 171 (171Yb+) and to the manipulation of qubits.

This paper presents a microfabrication methodology for surface ion traps, as well as a detailed experimental procedure for trapping ytterbium ions in a room-temperature environment.

Experimentelle Methoden für das Einfangen von Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

Production and Characterization of Vacuum Deposited Organic Light Emitting Diodes

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex donor-acceptor emitters is presented. With a step-by-step procedure, readers will be able to repeat and produce OLED devices based on simple organic emitters. A patterning procedure allowing the creation of personalized indium tin oxide (ITO) shape is shown. This is followed by the evaporation of all layers, encapsulation and characterization of each individual device. The end goal is to present a procedure that will give the opportunity to repeat the information presented in cited publication but also using different compounds and structures in order to prepare efficient OLEDs.

A protocol for the production of simple structured organic light-emitting diodes (OLEDs) is presented.

Herstellung und Charakterisierung des Vakuums hinterlegt organische Leuchtdioden

A method for producing simple and efficient thermally-activated delayed fluorescence organic light-emitting diodes (OLEDs) based on guest-host or exciplex ...

Shaping the Amplitude and Phase of Laser Beams by Using a Phase-only Spatial Light Modulator

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser radiation. The method is based on the coherent sum of two uniform waves, previously encoded into a phase-only spatial light modulator (SLM) by spatial multiplexing of their phases. Here, the interference process is carried out by spatial filtering of light frequencies at the Fourier plane of certain imaging system. The correct implementation of this method allows arbitrary phase and amplitude information to be retrieved at the output of the optical system.
It is an on-axis, rather than off-axis encoding technique, with a direct processing algorithm (not an iterative loop), and free from coherent noise (speckle). The complex field can be exactly retrieved at the output of the optical system, except for some loss of resolution due to the frequency filtering process. The main limitation of the method might come from the inability to operate at frequency rates higher than the refresh rate of the SLM. Applications include, but are not limited to, linear and non-linear microscopy, beam shaping, or laser micro-processing of material surfaces.

We show how to encode the complex field of laser beams by using a single phase element. A common-path interferometer is employed to mix the phase information displayed into a phase-only spatial light modulator to finally retrieve the desired complex field pattern at the output of an optical imaging system.

Gestaltung der Amplitude und Phase von Laserstrahlen durch den Einsatz einer Phase nur räumlichen Lichtmodulator

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser ...