La muestra irradiada GaAs fue proporcionada por Cui Yang, de la Universidad de Illinois en Chicago. Esta obra fue financiada en virtud del Contrato N º DE-AC02-06CH11357 entre UChicago Argonne, LLC y el Departamento de Energía de EE.UU. y la NASA a través de subvenciones y NNH08AH761 NNH08ZDA001N, y la Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía de EE.UU. bajo contrato DE-AC02 -06CH11357. La microscopía electrónica se realizó en el Centro de Microscopía Electrónica de Investigación de Materiales de Argonne National Laboratory, un Departamento de EE.UU. de la Oficina de Energía de la Ciencia de laboratorio, operado bajo el contrato DE-AC02-06CH11357 por UChicago Argonne, LLC.

1. Alineación de hardware para General WLI Scan Para obtener información cuantitativa a través de WLI, los pasos siguientes pueden servir como una guía. Se supone que el operador tiene conocimiento básico de funcionamiento del interferómetro. Las directrices son comunes independientemente del instrumento específico. Para algunas investigaciones, la muestra será plana. Para otros, la muestra puede ser curvado. <ol><li> Colocar la muestra en el escenario con la función (ion farfulló cráter, un haz iónico / spot extirpado, o usar la cicatriz) mirando hacia arriba. Utilice un objetivo de bajo aumento y centrar el instrumento en ella. Para una mejor resolución obtener una imagen en la que el objeto de interés en gran parte llena la pantalla, véase la figura 2 para un ejemplo de un balón. </li><li> Ajustar la posición vertical de la muestra de modo que las franjas de interferencia aparecen cerca de la característica de interés. Para obtener una superficie plana, es deseable que la muestra está inclinado de tal manera que el plano es perpendicular al eje óptico, es decir, la separación franja será grande. Para una superficie curva (por ejemplo, una bola), la muestra debe ser orientada de modo que las franjas están ubicados alrededor de la característica, tal como en la figura 3. </li><li> Obtener una exploración de acuerdo con las instrucciones del instrumento. Puede ser necesario ajustar la altura de iluminación o de exploración con el fin de obtener el mejor mapa topográfico. Rellene los datos incorrectos o que faltan utilizando la función de interpolación, a continuación, guardar el mapa topográfico. </li></ol> 2. Volumen de análisis con el software genérico En tribología, máquinas de prueba emplean a menudo no conforme geometrías de prueba de contacto tales como una bola o un cilindro que se desliza o gira contra un cilindro plano o de otro. Típicamente, el material se pierde en el punto de contacto deslizante, aunque a veces material puede transferir desde una superficie a otra, y esta &quot;capa de transferencia&quot; se mide como un excedente de material en ele de los especímenes de contacto. Debido a que la cicatriz de desgaste es tridimensional e irregular en la naturaleza, perfilometría óptica puede ser la única técnica adecuada para obtener medidas precisas de volumen de desgaste - aproximaciones no son válidos. El objetivo es medir las cantidades muy pequeñas de material que puede ser perdido (o ganado) en la región de contacto en la realización de una prueba. El principio básico de medida es definir un plano matemático en el nivel de la superficie no perturbado: software de análisis de superficie se supone que hay una &quot;superficie sólida&quot; (nivel cero), lo que por encima de este nivel es &quot;vacío&quot;. La función de análisis que mide el volumen integrado eliminado por debajo del plano de la &quot;superficie sólida&quot; se refiere como &quot;volumen vacío.&quot; La función que mide el volumen integrado por encima del plano de la &quot;superficie sólida&quot; (por ejemplo, una acumulación de restos) se denominará el &quot;volumen de material.&quot; Bienes inalteradas las superficies are rara vez perfectamente lisa y plana. Para una mayor precisión en la medición de características pequeñas es una buena práctica para definir un área de interés (AOI); la zona fuera de los cuales se excluyeron del análisis. La AOI se utiliza para restringir el área de medición debido a las irregularidades en la superficie contribuyen volumen adicional para los cálculos que no es verdad del área perturbada. 3. Superficie plana - Análisis desgaste mecánico <ol><li> Análisis del volumen de una superficie plana con una cicatriz zanja o depresión, ya sea generado por el desgaste mecánico, de haz de iones de pulverización catódica, o ablación por láser, es fácil de realizar. Obtener una imagen tal como la Figura 4 izquierda que muestra una cicatriz mecánica sobre una superficie de acero pulido. Selecciona una AOI que excluye la depresión y luego utilizar cualquier inclinación y / o función de eliminación de curvatura está disponible para nivelar la superficie sin perturbaciones a la máxima planaridad. A continuación, utilice el software para ajustar la altura media de la superficie para Z =0. Figura 4 es una vista derecha pseudocolor de una cicatriz en una superficie plana después de estos pasos. En esta visión los excluidos &quot;volumen muerto&quot; se tiñe de color rojo. En este esquema de color, el marrón oscuro denota las zonas bajas, mientras que el naranja indica las zonas altas. </li><li> Eliminar la AOI. Si el software tiene un volumen de medición de la función automatizada, coloque una región de medición sobre la cicatriz. En este programa, la función de medición se cuenta el &quot;vacío y el volumen de material&quot; se muestra con tinte azul en la Figura 5. Desgaste total es &quot;volumen de material&quot; por encima del plano resta de &quot;volumen muerto&quot;. Este es el cambio de volumen de la superficie alterada. (Para el software que no tiene esta función, pero tiene un histograma, o visualizar claramente las áreas que se elevan por encima de la superficie o por debajo de la superficie, omita el paso 3.2 y vaya al paso 3.3.) </li></ol> Los siguientes tres pasos describen un método alternativo de medir el volumen de desgaste. <ol start="3"><li> Invierta la AOIdesde el paso 3.1 para que la región cicatriz a analizar (la cicatriz se incluye ahora). </li><li> Generar un histograma de los datos. El histograma es un gráfico de la altura vertical sobre el eje de abscisas frente a la frecuencia de ocurrencia en la ordenada. Coloque un cursor en la posición Z = 0 (Figura 6 a la izquierda). Esto puede no ser en el pico del histograma. En esta figura, los cursores se han creado para analizar selectivamente sólo el material que falta debajo del plano. El software se integra el volumen total entre los dos cursores. El área coloreada roja muestra lo que se omite. Las áreas de color naranja no polarizadas en la figura 6 a la derecha por debajo de la superficie. La función de histograma debe generar un &quot;volumen vacío&quot; número con los cursores posicionados como se muestra para medir la pérdida de material de la superficie. </li><li> Usando el histograma mismo, colocar el otro cursor esta vez en la posición de altura Z = 0 (Figura 7 a la izquierda), y el otro en el extremo opuesto. Las zonas de color naranja no polarizadas en <strong&gt; Figura 7 a la derecha están por encima de la superficie. La función de histograma debe generar un &quot;volumen importante&quot; número, es decir, material excedente levantado por encima de la superficie plana. Desgaste total es &quot;volumen de material&quot; resta &quot;volumen muerto&quot;, lo mismo que en el paso 3.2. El método de histograma debe dar el volumen de desgaste que en el paso 3,2, pero proporciona detalles adicionales acerca de la distribución de material de subir y bajar, y muestra un mapa de la distribución de este área. </li></ol> En el ejemplo anterior no hay material de red pierde de la cicatriz de desgaste en su lugar hay ganancia material. Esto es inusual, pero a veces se produce cuando el material se transfiere de contracara de ensayo a otro. Las mismas &quot;planas caracterización de la superficie&quot; enfoques son beneficiosos para la obtención de los volúmenes retirados en experimentos con iones de bombardeo iónico y la ablación con láser, considerado en los ejemplos que siguen. 4. Superficie plana - Cráteres y Ion Beam ProMediciones de archivos para estimar el rendimiento de sputtering, y para realizar Time-to-profundidad de calibración Como una alternativa al método conocido y ampliamente utilizado para estimar los rendimientos de pulverización catódica utilizando la pérdida de masa método, basado en el peso directo o cuarzo equilibrio microcristal, 8, 9 se encuentra que el método WLI es útil para la visualización directa de la sputtered puntos de haces de iones / cráteres obtenidos por pulverización catódica estática / exploración de trama de un haz de iones. Figura 8 compara las secciones transversales longitudinales de un punto (líneas de puntos verdes sólidos y azul) de un incidente normalmente estática 5 keV y 150 eV Ar haces de iones + contra sus cráteres (oliva abierto círculos y diamantes cian abiertos) obtenido por 100 × 100 pixeles de escaneo raster digital del haz de iones mismo sobre la superficie de una Cu (110) de cristal único. La curva correspondiente a la superposición de haz estáticas de un borde del cráter para demostrar cómo la exploración de trama del haz de iones genera el cráter durante sputter depth perfiles. 5. Superficie plana - Caracterización de la ablación láser ultrarrápido Ultrafast ablación con láser es reconocida como un método para la eliminación de material de un sólido y reducir al mínimo la zona afectada por el calor. 10 Este proceso permite micromecanizado tasa alta con altas relaciones de aspecto y un daño mínimo (grietas, oxidación) para el material restante, y se abre la posibilidad de ablación eficaz de materiales transparentes. 11 Más recientemente, el interés se ha desarrollado en la utilización de la ablación ultrarrápida como una herramienta analítica. 12-15 La no linealidad alta del proceso de ablación también proporciona un medio para reducir el tamaño del punto ablacionada significativamente por debajo del tamaño de punto irradiado ( como definido típicamente por 1/2 e) y aún por debajo del límite de difracción, como se ha demostrado. 16 resolución de profundidad, mientras que no competitiva con los mejores métodos de haz de iones, puede ser &lt;20 nm. Las tasas de extracción puede ser fácilmente incrementadono lineal mediante el aumento de la fluencia del láser, de modo que los perfiles muy rápida a través de micras de material es posible. Idealmente, la caracterización de la eliminación de material por ablación ultrarrápida requiere una técnica que es rápido y cuantitativo y calibrado bien, todas las características cumplidas por WLI. La Figura 9 muestra imágenes pseudocolor de dos cráteres formados por vecinos ablación repetitivo de GaAs con un ultrarrápido (60 fs, 800 nm) haz láser enfocado a un tamaño de punto de ≈ 8 micras y con influencias correspondientes a 0,4 y 1,0 2 J / cm. 6. Superficies Curvas - Análisis de desgaste mecánico Análisis del volumen de una superficie curva regular (bola o cilindro) es similar a la de un plano, pero requiere la eliminación curvatura. El protocolo siguiente muestra un análisis de una cicatriz de desgaste circular sobre una bola de acero. Para encontrar el volumen perdido de una bola que es necesario realizar un procesamiento matemático para transformar una bola con unárea plana en un plano con una muesca, a continuación, medir el volumen de la muesca como se hizo en la Sección 3, sobre superficies planas. Una cicatriz de desgaste en una bola será medido, primero utilizando la técnica más sencilla automático, a continuación, con la técnica de histograma. <ol><li> Figura 10 izquierda muestra una vista isométrica de una cicatriz de desgaste sobre una pelota. Selecciona una AOI que excluye la cicatriz de desgaste, y seleccionar la herramienta de software de adaptación de curva que va a transformar la superficie de modo que es una depresión desgastado en el centro de un área plana sin perturbaciones. Dado que la eliminación curvatura puede ser una técnica iterativa puede ser necesario para ejecutar los tiempos de ajuste varios de modo que el área sin perturbar es plano a nivel de precisión nm. Cualquier falta de uniformidad visible fuera de la cicatriz de desgaste indica un problema y el cálculo no será correcta. Ajuste la altura media fuera de la cicatriz a Z = 0. Figura 10 derecha muestra una vista pseudocolor de la cicatriz después de la eliminación y el establecimiento de curvatura Z = 0 con una AOI correctamenteenmascarando el área desgastada. </li><li> Utilice la herramienta de medición, si están disponibles, para analizar el desgaste, como se muestra en la Figura 11. Volumen de desgaste total es &quot;volumen de material&quot; resta del &quot;volumen muerto&quot;. </li></ol> Los pasos siguientes describen un método alternativo para medir el volumen de desgaste. <ol start="3"><li> De la misma manera que en el paso 3,3, invertir la AOI para que la cicatriz de desgaste está incluido. Generar un histograma de los datos. Coloque un cursor en la posición Z = 0 (Figura 12 izquierda). Las áreas de color naranja no polarizadas en la figura 12 a la derecha por debajo de la superficie. La función de histograma debe generar un &quot;volumen muerto&quot; número. </li><li> Usando el histograma mismo, colocar el otro cursor esta vez en la posición de altura Z = 0 (figura 13 a la izquierda), y el otro en el extremo opuesto. Las zonas de color naranja no polarizadas en la figura 13 derecha están por encima de la superficie. La función de histograma debe generar un &quot;volumen importante&quot; número. Totalllevar volumen es &quot;volumen de material&quot; por encima del plano resta de &quot;volumen vacío&quot;, el mismo que en el paso 3,2. El método de histograma debe calcular el volumen de desgaste que en el paso 6,2, pero proporciona detalles adicionales acerca de la distribución de material de subir y bajar, y muestra un mapa de la distribución de este área. </li></ol>

No hay conflictos de interés declarado.

Ejemplo 1 WLI no es ampliamente utilizado para la caracterización de superficie de trabajo en tribológico, pero es de hecho un potente método para la medición cuantitativa de los volúmenes de desgaste para geometrías de varios contactos. WLI produce una representación completa en 3D de la superficie que puede ser analizada usando uno de varios paquetes de software de visualización. Estos paquetes permiten diversos tipos de mediciones a realizar. Para una mayor resolución lateral, las i...

La superficie de los materiales sólidos determina en gran medida las propiedades de interés para esos materiales: electrónicamente, estructural y químicamente. En muchas áreas de la investigación, la adición de material (por ejemplo, deposición de película delgada por láser pulsado / deposición de pulverización catódica con magnetrón, físico / deposición química en fase vapor), la eliminación de material (grabado iónico reactivo, iones de pulverización catódica, ablación con láser, etc), o algunos otros procesos, es necesario caracterizar. Además, modificación de la superficie mediante la interacción con pulsos de luz energéticas o partículas cargadas tiene numerosas aplicaciones y es de interés fundamental. Tribología, el estudio de la fricción y el desgaste, es otra área de interés. En una escala de sobremesa, una multitud de geometrías de prueba tribológicas existe. No conforme geometrías de contacto pueden utilizarse, y una bola o un cilindro puede deslizar o girar contra una superficie plana, otra bola, o cilindro, para un período de tiempo, y la cantidad de material que se retira es measured. Debido a que la cicatriz de desgaste es tridimensional e irregular en la naturaleza, perfilometría óptica puede ser la única técnica adecuada para obtener medidas precisas de volumen de desgaste. Tareas de análisis habituales incluyen también parámetros de rugosidad de la superficie, la altura de paso, la pérdida de volumen del material, profundidad de la zanja, etc, todos ellos se puede obtener adicionalmente a la visualización sencilla topografía 2D y 3D. Perfilometría óptica se refiere a cualquier método óptico que se utiliza para reconstruir el perfil de las superficies. Perfilométrica incluir métodos de interferometría de luz blanca, láser o métodos confocal. Algunos perfilómetros ópticos obtener información a través de enfoques basados ​​en los objetivos del microscopio convencional limitadas por difracción. Por ejemplo, un láser de barrido puede estar integrado con un microscopio para obtener información de color topográfico y verdadera de las superficies. Un segundo método utiliza una técnica que explota la profundidad extremadamente pequeño de enfoque de los objetivos convencionales para ensamblar un serioes de In-Focus &quot;cortes de imagen&quot; de la superficie para obtener un mapa topográfico en 3D. En este trabajo se demuestra como un blanco de luz del microscopio interferométrico / perfilómetro permite la medición de la cantidad de pérdida de material durante los procesos de desgaste mecánico, o durante procesos de grabado de materiales tales como cráteres de iones de pulverización catódica o ablación con láser. Se presta más atención a la metodología de este método para ilustrar su gran capacidad instalada que hace que sea ampliamente disponible y atractivo para numerosas aplicaciones. La mayoría de los tipos de WLI emplean la técnica de Mirau, que utiliza un espejo interno para el objetivo del microscopio para causar interferencias entre una señal de luz de referencia y la luz reflejada desde la superficie de la muestra. La elección de Mirau interferometría está dictada por simple conveniencia, ya que todo el interferómetro Mirau se puede encajar dentro de la lente objetivo del microscopio y acoplada a un microscopio óptico normal (Figura 1). Una serie de dos dimensiones interferograms se adquieren con una cámara de vídeo, software y ensambla un mapa topográfico 3D. La fuente de luz blanca proporciona iluminación de amplio espectro que ayuda a superar la &quot;orden de franja&quot; ambigüedad inherente a una fuente monocromática. Una fuente monocromática de la luz puede ser utilizado para obtener una medición más precisa de las características topográficas superficiales. La resolución lateral se limita fundamentalmente a λ / 2 (apertura numérica NA = 1), pero en la mayoría de los casos es más grande, siendo determinado por el NA del objetivo, que es a su vez conectado a la ampliación / campo de visión de tamaño. Tabla 1 en Ref. 1 tiene una comparación directa de todos los parámetros mencionados. Enfoques profundidad de la resolución ≈ 1 nm, siendo una función de la naturaleza de la técnica interferométrica. Más información sobre Mirau WLI se puede encontrar en las Refs. 2, 3. Una introducción en blanco enfoque de interferometría de luz se puede encontrar en la referencia. 4. Otros métodos para el análisis de superficies son atómicos FORCe microscopía (AFM), microscopía electrónica de barrido (SEM), y perfilometría lápiz. La técnica WLI compara favorablemente a estos métodos y tiene sus propias ventajas y desventajas que se deben a la naturaleza óptica del método. La AFM es capaz de obtener imágenes en 3D y las secciones transversales correspondientes así, pero AFM tiene una capacidad de exploración limitada en los laterales (&lt;100 micras) y la profundidad (&lt;10 micras) ejes. En contraste con aquellos, la principal ventaja de la flexibilidad es WLI campo de visión (FOV) de hasta unos pocos milímetros con simultánea capacidad real de imágenes en 3D. Además, como vamos a demostrar que tiene la capacidad a escala vertical de alcance del sensor, lo que permite una para resolver una variedad de problemas de la modificación de la superficie, simplemente. Los investigadores que han trabajado con AFM son conscientes del problema con la colocación de un avión muestra en la medición de las características prolongados de bajos gradientes verticales. Por lo general, uno puede pensar en WLI / OP como un &quot;express&quot; técnica sobre AFM. Por supuesto, hayuna serie de áreas para las que sólo AFM es adecuado: cuando las características laterales a ser resueltos tienen dimensiones características más pequeñas que la resolución lateral de WLI, o casos donde los datos de WLI es ambiguo debido a las propiedades ópticas desconocidos o complejo de una muestra de una manera que afecta a la exactitud de las mediciones (que se discutirá más adelante), etc El SEM es una poderosa manera de mirar a las superficies, siendo muy flexible en cuanto al tamaño FOV con gran profundidad de foco, más grande que cualquier microscopio óptico convencional puede ofrecer. Al mismo tiempo, las imágenes 3D por SEM es engorroso, especialmente ya que requiere tomar imágenes de par estéreo-que luego se convierten en imágenes en 3D mediante el método anaglyphic, o a través de la observación de los espectadores con ópticos, o utilizado para el cálculo directo de profundidades entre diferentes puntos de interés en una muestra. 5 Por el contrario, WLI / OP perfilometría ofrece fácil de usar, con reconstrucción 3D al mismo tiempo flexible, FOV. WLI explora a través de la plenagama de la altura necesaria para la muestra particular (desde nanómetros hasta cientos de micras). WLI no se ve afectada por la conductividad eléctrica del material de muestra, que puede ser un problema con SEM. WLI claramente no requiere un vacío. Por otro lado hay una serie de aplicaciones para las que proporciona superior SEM información: características laterales para ser resueltos de dimensiones características debajo de la resolución lateral de WLI, o casos donde las diferentes partes de una muestra puede ser topográficamente distinguen sólo cuando coeficientes de emisión de electrones secundarios diferir. Una técnica más para inspección de superficies, que se utiliza ampliamente en la espectrometría de masas de iones secundarios 6 y en el campo de la caracterización de sistemas microelectromecánicos 7 es lápiz perfilometría. Esta técnica es popular debido a su simplicidad y robustez. Se basa en el escaneado directo contacto mecánico de una punta de lápiz sobre la superficie de la muestra. Esta es una herramienta de contacto gruesa, Que es capaz de escanear a lo largo de una sola línea a la vez. Hace superficie 3D raster-scan demasiado largo. Otro inconveniente de la técnica de lápiz es la dificultad de medir características de la superficie de alta relación de aspecto y de tamaño comparable con el tamaño de la punta de su característica (submicrónico a varias micras típicamente) que implica un radio de punta y un ángulo de punta de vértice. Una ventaja de la aguja de perfilometría es su insensibilidad a diferentes propiedades ópticas de una muestra, que pueden afectar a la precisión de WLI / OP mediciones (que se discute más adelante). Los mapas de superficie en el presente artículo se obtuvieron usando un convencional Mirau de tipo WLI (Figura 1). Muchas compañías como Zygo, KLA Tencor, nanociencia, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, y Taylor Hobson producir comerciales de tablero de instrumentos OP. Los mapas fueron reconstruidos adquiridas y procesadas mediante software comercial del tipo que se utiliza comúnmente para WLI, electrónica de barrido, or sonda microscopía. El software tiene la capacidad de realizar manipulaciones matemáticas de la superficie, cruzar el perfil de sección de análisis, vacío y cálculos de volumen de material, y la corrección de avión. Otros paquetes de software pueden automatizar algunas de estas características.

<table border="1"><tbody><tr><td> Sustratos de cristal único de Si, GaAs y Cu </td><td></td><td></td><td> por bombardeo iónico y la ablación </td></tr><tr><td> Aleaciones de metales puros </td><td></td><td></td><td> para ejemplos de tribología </td></tr></tbody></table>

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

En la ciencia e ingeniería de materiales a menudo es necesario para obtener mediciones cuantitativas de la topografía de la superficie con resolución micrométrica lateral. Desde la superficie medida, 3D mapas topográficos pueden ser analizados posteriormente usando una variedad de paquetes de software para extraer la información que se necesita. En este artículo se describe cómo la interferometría de luz blanca, y perfilometría óptica (OP) en general, en combinación con el software genérico análisis de superficie, se puede utilizar para ciencia de los materiales y las tareas de ingeniería. En este artículo, una serie de aplicaciones de la interferometría de luz blanca para la investigación de modificaciones de la superficie de la espectrometría de masas, y el desgaste de los fenómenos en tribología y lubricación de accionamientos. Hemos caracterizado los productos de la interacción de semiconductores y metales con iones energéticos (sputtering), y la irradiación con láser (ablación), así como ex situ de desgaste de las muestras de ensayo tribológicas. </p&gt; En concreto, hablamos de: <ol class="lroman"><li> Aspectos de la tradicional espectrometría de masas de iones bombardeo iónico basado tales como tasas de pulverización / mediciones rendimientos sobre el Si y Cu y posterior conversión tiempo-profundidad. </li><li> Resultados de la caracterización cuantitativa de la interacción de la radiación láser de femtosegundos con una superficie del semiconductor. Estos resultados son importantes para aplicaciones tales como la espectrometría de masa de ablación, donde las cantidades de material evaporado puede ser estudiado y controlado a través de la duración del pulso y la energía por impulso. Por lo tanto, mediante la determinación de la geometría cráter se puede definir la profundidad y la resolución lateral versus las condiciones experimentales de configuración. </li><li> Las mediciones de los parámetros de rugosidad de superficie en dos dimensiones, y las mediciones cuantitativas de la superficie de desgaste que se producen como resultado de la fricción y el desgaste de las pruebas. </li></ol> Algunos inconvenientes inherentes, artefactos posibles, y las evaluaciones de incertidumbre de la luz blancaenfoque interferometría será discutido y explicado.

<html><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/50260/50260fig1.jpg" /> Figura 1 Fotografía de un perfilómetro simple utilizado en el presente estudio:. Una torreta objetivo múltiple se observa en la imagen. Dos objetivos son estándar (10x y 50x), y dos son objetivos Mirau (10x y 50x). Este microscopio tiene una función de aumento intermedio que permite el paso a paso multiplicadores magnificación de 0,62, 1,00, 1,25, 2,00 o para ser sel...

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

Interferometría Blanca microscopio de luz es un método óptico sin contacto y rápida para medir la topografía de las superficies. Se muestra cómo el método puede ser aplicado para el análisis de desgaste mecánico, donde el desgaste cicatrices en las muestras de ensayo se analizan tribológicas, y en la ciencia de materiales para determinar por haz de iones de pulverización catódica o volúmenes de ablación por láser y profundidades.

Caracterización de modificaciones de la superficie de la interferometría de luz blanca: Aplicaciones en Sputtering Ion, ablación con láser y Experimentos Tribología

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 vistas.  Argonne National Laboratory. Interferometría Blanca microscopio de luz es un método óptico sin contacto y rápida para medir la topografía de las superficies. Se muestra cómo el método puede ser aplicado para el análisis de desgaste mecánico, donde el desgaste cicatrices en las muestras de ensayo se analizan tribológicas, y en la ciencia de materiales para determinar por haz de iones de pulverización catódica o volúmenes de ablación por láser y profundidades.

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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).

Fabricación y caracterización de guías de onda de cristal fotónico luz lenta y cavidades

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 ...

Investigación

Ingeniería

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

Caracterización de los materiales de los electrodos de ión de litio y baterías de ión sodio utilizando técnicas de Radiación Sincrotrón

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.

Área selectivo Modificación de humectabilidad de la superficie del silicio por pulsos láser UV irradiación en Ambiente Líquido

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.

Compacto holográfica microscopio digital Lente menos por MEMS Inspección y Caracterización

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.

La fabricación de la impresión a granel heterounión células solares y<em&gt; In Situ</em&gt; Morfología Caracterización

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.

La fabricación de la luz blanca de emisores de celdas electroquímicas con emisión estable de exciplejos

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.

Fabricación de microesferas de polímero para aplicaciones de resonador óptico y láser

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.

Métodos experimentales para atrapar iones usando recientemente trampas de iones de la superficie

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.

Producción y caracterización de vacío depositan diodos electroluminosos orgánicos

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.

Que forma la amplitud y fase de rayos láser mediante el uso de un modulador de luz espacial sólo fase

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