A amostra de GaAs irradiado foi fornecida por Yang Cui, da Universidade de Illinois, em Chicago. Este trabalho foi financiado no âmbito do contrato n º DE-AC02-06CH11357 entre UChicago Argonne, LLC e do Departamento de Energia dos EUA e pela NASA através de doações e NNH08AH761 NNH08ZDA001N, e do Gabinete de Tecnologias de Veículos do Departamento de Energia dos EUA sob contrato DE-AC02 -06CH11357. A microscopia eletrônica foi realizado no Centro de Microscopia Eletrônica de Pesquisa de Materiais no Laboratório Nacional Argonne, um Departamento de Energia dos EUA Escritório de Ciência laboratório, operado sob contrato DE-AC02-06CH11357 por UChicago Argonne, LLC.

1. Alinhamento de hardware para digitalização Geral WLI Para obter informações quantitativas através WLI, as etapas a seguir podem servir como uma diretriz. Assume-se que o operador tenha conhecimento básico de operação interferômetro. As diretrizes são comuns, independentemente do instrumento específico. Para algumas investigações, a amostra será plana. Para outros, a amostra pode ser curvado. <ol><li> Coloque a amostra no palco com o recurso (íon sputtered cratera, feixe de íons / ablacionada local, ou usar cicatriz) voltado para cima. Use um objetivo a ampliação de baixa e focar o instrumento sobre ele. Para obter a melhor resolução de uma imagem em que o objecto de interesse em grande parte preenche a tela, ver a figura 2 para um exemplo de uma bola. </li><li> Ajustar a posição vertical da amostra de modo que as franjas de interferência aparece perto da característica de interesse. Para obter uma superfície plana que é desejável que a amostra é inclinado de tal modo que o plano é perpendicular em relação ao eixo óptico, isto é, o espaçamento franja será grande. Para obter uma superfície curva (por exemplo uma esfera), a amostra deve ser orientada de tal forma que franjas estão localizados centralmente em torno da função, tal como na Figura 3. </li><li> Obter uma verificação de acordo com as instruções do instrumento. Pode ser necessário ajustar a altura da iluminação ou de verificação, a fim de obter o melhor mapa topográfico. Preencha os dados defeituosos ou faltando com a função de interpolação, e depois salvar o mapa topográfico. </li></ol> 2. Análise Volume Usando software genérico Em tribologia, máquinas de teste muitas vezes empregam não-conformes geometrias de contacto de testes, como uma bola ou um cilindro que é deslizado ou rodado contra um cilindro liso ou de outra. Tipicamente, o material é perdido no ponto de contacto de deslizamento, embora, por vezes, o material só pode transferir a partir de uma superfície para outra, e esta &quot;camada de transferência&quot; será medido como um excedente de material nas eme das amostras de contacto. Por causa da cicatriz de desgaste é tridimensional e irregular na natureza, perfilometria óptica pode ser a única técnica adequada para a obtenção de medições precisas de volume de desgaste - aproximações não são válidos. O objectivo consiste em medir as quantidades muito pequenas de material que podem ser perdidos (ou ganho) na região de contacto após a conclusão de um teste. O princípio básico de medição é o de definir um plano matemático ao nível da superfície intacta: software de análise de superfície assume que há uma &quot;superfície sólida&quot; (nível zero), qualquer que seja superior a este nível é &quot;vazio&quot;. A função de análise que mede o volume integrado removido abaixo do plano da &quot;superfície sólida&quot; será referido como o &quot;volume morto&quot;. A função que mede o volume integrado por cima do plano da &quot;superfície sólida&quot; (por exemplo, uma acumulação de detritos) será chamado o &quot;volume de material.&quot; Reais superfícies intactas are raramente perfeitamente lisa e plana. Para maior precisão na medição pequenos recursos é uma boa prática para definir uma área de interesse (AOI), a área fora da qual está excluído da análise. A AOI é usado para limitar a área de medição devido irregularidades na superfície contribuem volume adicional para os cálculos que não é verdadeiramente da área perturbada. 3. Superfície plana - Análise desgaste mecânico <ol><li> A análise do volume de uma superfície plana com uma cicatriz trincheira ou depressão, seja gerada por desgaste mecânico, de feixes de iões de pulverização, ou a ablação por laser, é fácil de realizar. Obtenção de uma imagem, tal como a Figura 4, que mostra à esquerda uma cicatriz mecânica sobre uma superfície de aço polido. Seleccionar uma AOI, que exclui a depressão e, em seguida, usar qualquer inclinação e / ou a função de remoção de curvatura está disponível para nivelar a superfície intacta a planicidade máximo. Em seguida, use o software para definir a altura média da superfície a Z =0. Figura 4 é uma vista de certa pseudocores de uma cicatriz sobre uma superfície plana após estes passos. Nessa visão, o &quot;volume morto&quot; excluídos é tingido vermelho. Neste esquema de cores, o marrom escuro indica áreas baixas, enquanto laranja indica áreas altas. </li><li> Excluir a AOI. Se o software tem um volume de medição automático função, coloque uma região de medida sobre a cicatriz. Neste software, a função de medição que vai contar o &quot;vazio e volume de material&quot; mostrado com tonalidade azul na Figura 5. Desgaste total é &quot;volume de material&quot; acima do plano subtraído &quot;volume morto&quot;. Esta é a variação do volume da superfície perturbado. (Para o software que não tem essa função, mas tem um histograma ou a visualizar claramente as áreas que ficam acima da superfície ou abaixo da superfície, pular o passo 3.2 e vá para o passo 3.3.) </li></ol> Os três passos seguintes descrevem um método alternativo de medição do volume de desgaste. <ol start="3"><li> Inverta a AOIa partir do passo 3.1 para permitir que a região da cicatriz a ser analisada (a cicatriz é incluído agora). </li><li> Gerar um histograma dos dados. O histograma é um gráfico da altura vertical na abcissa versus a frequência de ocorrência na ordenada. Coloque um cursor na posição = Z 0 (à esquerda Figura 6). Isto pode não ser no pico do histograma. Nesta figura os cursores foram criados para, seletivamente, analisar somente o material em falta abaixo do plano. O software integra o volume total entre os dois cursores. A área escurecida vermelho mostra o que é omitido. As áreas de laranja não corado da Figura 6 para a direita estão abaixo da superfície. A função de gerar um histograma deve &quot;void volume&quot; número com os cursores posicionados como se mostra para medir o material perdido a partir da superfície. </li><li> Usando o mesmo histograma, situar-se outra vez este na posição altura Z = 0 (Figura 7 esquerdo), e o outro na extremidade oposta. As áreas de laranja não corado em <strong&gt; Figura 7 direita estão acima da superfície. A função de histograma deve gerar um &quot;material de volume&quot; número, isto é, material em excesso acima da superfície plana. Desgaste total é &quot;volume de material&quot; subtraído &quot;volume morto&quot;, o mesmo que no passo 3.2. O método do histograma deve dar o volume de desgaste mesmo que no passo 3.2, mas fornece detalhes adicionais sobre a distribuição de material levantada e abaixada, e mostra um mapa da distribuição da área. </li></ol> No exemplo acima, não há material líquido perdido a partir da marca de desgaste, em vez disso, o ganho de material. Isso é incomum, mas às vezes ocorre quando o material transfere de uma contraface teste para outro. Os mesmos &quot;planas&quot; de superfície de caracterização abordagens são benéficas para a obtenção de volumes removidos em experiências com iões de pulverização catódica e ablação por laser, considerado nos exemplos que se seguem. 4. Superfície lisa - Crateras e Ion Beam ProMedidas arquivos para estimar a produtividade Sputtering, e para realizar Time-to profundidade Calibração Como uma alternativa para o método conhecido e amplamente utilizado para estimar o rendimento de sputtering utilizando massa de perda de método, baseado na pesagem directa ou equilíbrio quartzo microcristalina, 8, 9, descobrimos que o método é útil para WLI visualização directa da sputtered pontos de feixe de iões / crateras obtidos por pulverização catódica estático / raster digitalização de uma figura feixe. íon 8 compara longitudinais seções transversais de um ponto (verde e azul sólidos linhas pontilhadas) de um incidente normalmente estático 5 keV e 150 eV Ar feixes de íons + contra suas crateras (azeite aberto círculos e losangos abertos) ciano obtida por 100 x 100 pixels de digitalização raster digital do mesmo feixe de iões ao longo da superfície de um Cu (110) de cristal único. A curva correspondente às sobreposições feixe estáticas de uma borda da cratera de demonstrar como raster scan do feixe de iões gera a cratera durante sputter depth perfis. 5. Superfície lisa - Caracterização de Ultrafast ablação por laser Ultrafast ablação a laser é reconhecido como um método para a remoção de material de um sólido, enquanto minimiza a zona afectada pelo calor. 10 Este processo permite micromachining taxa alta com alta razão de aspecto e danos mínimos (oxidação de craqueamento,) para o restante material, e abre-se a possibilidade de ablação eficiente de materiais transparentes. 11 Mais recentemente, o interesse tem desenvolvido utilizando ablação ultra-rápida, como ferramenta analítica. 12-15 A não linearidade elevada do processo de ablação também proporciona um meio de reduzir o tamanho do ponto ablacionada significativamente abaixo do tamanho do ponto irradiado ( como é tipicamente definida por 1 / e 2), e até mesmo abaixo do limite de difracção, tal como foi demonstrado. resolução de 16 de profundidade, ao passo que não é competitiva com os melhores métodos de feixe de iões, pode ser &lt;20 nm. As taxas de remoção podem ser facilmente aumentadanão linearmente com o aumento da fluência laser, de modo que profiling muito rápida através mícrons de material é possível. Idealmente, o que caracteriza a remoção de material por ablação ultra requer uma técnica que é rápida e quantitativa e bem calibrados, todas as características satisfeitas por WLI. A Figura 9 mostra as imagens de duas crateras pseudocoloridas vizinhos formadas por ablação repetitiva de GaAs com uma ultra-rápida (60 fs, a 800 nm) do feixe de laser focado para um tamanho de ponto de ≈ 8 um e tendo fluências correspondentes a 0,4 e 1,0 J / cm 2. 6. Superfícies curvas - Análise de desgaste mecânico A análise do volume de uma superfície curva regular (esfera ou cilindro) é semelhante ao de uma superfície plana, mas requer a remoção da curvatura. O protocolo a seguir mostra uma análise de uma marca de desgaste circular sobre uma esfera de aço. Para calcular o volume perdido de uma bola que é necessário para fazer o processamento matemático para transformar uma bola com umárea plana em uma superfície plana com uma reentrância, em seguida, medir o volume da reentrância, como foi feito na Secção 3 em superfícies planas. A marca de desgaste em uma bola irá ser medido, usando primeiro o mais simples técnica automática, em seguida, com a técnica de histograma. <ol><li> A Figura 10 mostra da esquerda uma vista isométrica de uma marca de desgaste em uma bola. Seleccionar uma AOI, que exclui a marca de desgaste, e seleccionar a ferramenta curva software adequado que irá transformar a superfície de modo que é uma depressão gasto no meio de uma área intacta plana. Porque a remoção da curvatura pode ser uma técnica iterativa pode ser necessário para executar os vários tempos de ajuste, de modo que a área não perturbada é plana ao nível NM precisão. Qualquer exterior não-uniformidade visível da marca de desgaste indica um problema eo cálculo não será correta. Definir a altura média fora da cicatriz para Z = 0 Figura 10. Direito mostra uma visão pseudo da cicatriz após a remoção curvatura e ajuste Z = 0 com um AOI corretamentemascarando a área desgastada. </li><li> Usar o instrumento de medição, se disponível, para analisar a desgaste, tal como mostrado na Figura 11. Volume de desgaste total é &quot;volume de material&quot; subtraído do &quot;volume morto&quot;. </li></ol> Os passos que se seguem descrevem um método alternativo de medição do volume de desgaste. <ol start="3"><li> Do mesmo modo como no passo 3.3, a AOI invertido de modo que a marca de desgaste está incluído. Gerar um histograma dos dados. Coloque um cursor na posição = Z 0 (esquerda Figura 12). As áreas de laranja não corado da Figura 12 para a direita estão abaixo da superfície. A função de histograma deve gerar um &quot;vazio volume&quot; número. </li><li> Usando o mesmo histograma, situar-se outra vez este na posição altura Z = 0 (Figura 13 à esquerda), e o outro na extremidade oposta. As áreas de laranja não corado da Figura 13 para a direita estão acima da superfície. A função de histograma deve gerar um &quot;material volume&quot; número. Totaldesgaste volume é &quot;volume de material&quot; acima do plano subtraído &quot;volume morto&quot;, o mesmo que no passo 3.2. O método do histograma deve calcular o volume de desgaste mesmo que no passo 6.2, mas fornece detalhes adicionais sobre a distribuição de material levantada e abaixada, e mostra um mapa da distribuição da área. </li></ol>

Não há conflitos de interesse declarados.

Exemplo 1 WLI não é amplamente utilizada para a caracterização da superfície de trabalho em tribológico, mas é, de facto, um método poderoso para a medição quantitativa de volumes de desgaste de contacto de geometrias diversas. WLI produz uma representação 3D completa da superfície que pode ser analisado utilizando qualquer um dos vários pacotes de software de visualização. Estes pacotes permitir vários tipos de medições a serem executadas. Para maior resolução lateral, as ...

A superfície de materiais sólidos a uma determina em grande medida, as propriedades de interesse para estes materiais: electronicamente, estruturalmente e quimicamente. Em muitas áreas de pesquisa, a adição de material (por exemplo, deposição de filmes finos por impulsos laser / deposição magnetron sputtering, físico / químico de deposição de vapor), a remoção de material (corrosão iônica reativa, ião sputtering, ablação por laser, etc), ou alguns outros processos, a necessidade de ser caracterizada. Além disso, a modificação da superfície por meio da interação com pulsos de luz energéticos ou partículas carregadas tem inúmeras aplicações e é de interesse fundamental. Tribology, o estudo de atrito e de desgaste, é uma outra área de interesse. Em uma escala de bancada, uma multidão de geometrias de testes tribológicos existe. Geometrias não-conformados de contacto podem ser utilizados, e de uma esfera ou cilindro pode ser deslocado ou girado contra uma superfície plana, uma outra esfera ou cilindro, por um período de tempo, e a quantidade de material que é removida é measured. Por causa da cicatriz de desgaste é tridimensional e irregular na natureza, perfilometria óptica pode ser a única técnica adequada para a obtenção de medições precisas de volume de desgaste. Tarefas de análise comuns incluem também parâmetros de rugosidade superficial, altura passo, a perda de volume do material, profundidade de trincheira, e assim por diante, todos eles podem ser obtidas adicionalmente a visualização da topografia simples em 2D e 3D. Perfilometria óptica refere-se a qualquer método óptico que é utilizado para reconstruir o perfil de superfícies. Métodos incluem perfilométrica interferométrico de luz branca, laser, ou métodos confocal. Alguns profilometers ópticos obter informações através de abordagens baseadas em objetivos convencionais de difração limitada de microscópio. Por exemplo, um laser de varrimento pode ser integrado com um microscópio para obter a informação de cor verdadeira topográfico e de superfícies. Um segundo método utiliza uma técnica que explora a profundidade extremamente pequeno de foco dos objectivos convencionais para montar uma series de em foco &quot;fatias de imagem&quot; da superfície para obter um mapa 3D topográfico. Neste trabalho é mostrar como um microscópio de luz branca interferométrico perfilómetro / permite a medição da quantidade de material perdido durante os processos de desgaste mecânico, ou durante os processos de condicionamento de materiais, tais como crateras de iões de pulverização ou de ablação por laser. Mais atenção é dada à metodologia deste método para ilustrar sua grande capacidade instalada que o torna amplamente disponível e atraente para inúmeras aplicações. A maioria dos tipos de WLI empregar a técnica Mirau, que utiliza um espelho interno para o objectivo de microscópio de interferência entre o sinal de referência de luz e a luz reflectida a partir da superfície da amostra. A escolha de Mirau interferometria é ditada por conveniência simples, porque o interferômetro Mirau inteiro pode ser caber dentro da lente da objectiva do microscópio e acoplado a um microscópio óptico normal (Figura 1). Uma série de duas dimensões entreferograms são adquiridos com uma câmera de vídeo e software monta um mapa 3D topográfico. A fonte de luz branca fornece iluminação amplo espectro que ajuda a superar a &quot;franja ordem&quot; ambigüidade inerente a uma fonte monocromática. Uma fonte de luz monocromática de pode ser utilizado para obter uma medição mais precisa da rasos características topográficas. A resolução lateral é fundamentalmente limitada a λ / 2 (abertura numérica, NA = 1), mas na maioria dos casos é maior, sendo determinado pela AN do objectivo, que por sua vez é ligado a ampliação / tamanho do campo de visão. Tabela 1 na Ref. 1 tem uma comparação directa de todos os parâmetros mencionados. Profundidade abordagens de resolução ≈ 1 nm, sendo uma função da natureza da técnica de interferometria. Para mais informações sobre Mirau WLI podem ser encontrados em Refs. 2, 3. Uma introdução na abordagem interferométrica luz branca pode ser encontrado na referência. 4. Outros métodos para a análise de superfícies são forc atómicamicroscopia e (AFM), microscopia eletrônica de varredura (MEV), e perfilometria caneta. A técnica WLI compara-se favoravelmente com estes métodos e tem as suas próprias vantagens e desvantagens que são devidas à natureza do método óptico. A AFM é capaz de obter imagens 3D e, assim, correspondentes secções transversais, mas AFM tem uma capacidade limitada de varredura nas laterais (&lt;100 m) e profundidade (&lt;10 mm) eixos. Em contraste com aqueles, a principal vantagem do WLI é o flexível do campo de visão (FOV) de até alguns milímetros com capacidade de imagem real em 3D simultânea. Além disso, como vamos demonstrar que tem capacidade ampla gama vertical, digitalização, permitindo que se possa resolver uma variedade de problemas de modificação da superfície simplesmente. Pesquisadores que trabalharam com a AFM está ciente do problema com o posicionamento avião de uma amostra ao medir características prolongados de baixo gradiente vertical. Geralmente, pode-se pensar em WLI / OP como um &quot;expresso&quot; técnica sobre AFM. É claro, existemum número de áreas para as quais só AFM é adequado: quando as características laterais a serem resolvidos têm dimensões características menores do que a resolução lateral de WLI, ou casos em que os dados de WLI é ambígua devido a desconhecidos ou complexos propriedades ópticas de uma amostra de uma forma que afeta a precisão das medições (a ser discutido mais tarde), etc A SEM é um modo poderoso de olhar para as superfícies, sendo muito flexível em termos de tamanho FOV com grande profundidade de focagem, maior do que qualquer microscópio óptico convencional pode oferecer. Ao mesmo tempo, imagens 3D por SEM é incómodo, especialmente no que se requer a tomada de estéreo de par imagens que são então convertidos em imagens 3D pelo método anaglífico, ou por meio de observação com os visores ópticos, ou utilizados para o cálculo directo das profundidades entre diferentes pontos de interesse numa amostra. 5 Por outro lado, WLI / OP perfilometria oferece fácil de usar reconstrução 3D com FOV simultaneamente flexível. WLI varre o plenogama altura necessária para a amostra particular (a partir de centenas de nanómetros a micrómetros). WLI não é afectado pela condutividade eléctrica do material de amostra, que pode ser um problema com o SEM. WLI claramente não necessita de um vácuo. Por outro lado, há uma série de aplicações para o qual fornece informações SEM superior: características laterais a serem resolvidas de dimensões características abaixo da resolução lateral do WLI, ou casos em que diferentes partes de uma amostra pode ser topograficamente distinguidos apenas quando secundárias coeficientes de emissão de elétrons diferem. Mais uma técnica para a inspecção da superfície, a qual é amplamente utilizada na espectrometria de massa de iões secundários 6 e no campo de caracterização de sistemas microeletromecânicos estilete 7 é perfilometria. Esta técnica é muito popular devido à sua simplicidade e robustez. Baseia-se na verificação de contacto mecânico directo de uma ponta de caneta sobre a superfície da amostra. Esta é uma ferramenta de contato grosso, Que é capaz de digitalizar ao longo de uma única linha de cada vez. Ele faz superfície 3D raster-scan de imagem extremamente demorado. Outra desvantagem da técnica de estilete é a dificuldade de medir as características da superfície de relação de aspecto alta e de tamanho comparável com o seu bico característico (submicron a vários microns tipicamente), que implica um raio de ponta e um ângulo de vértice da ponta. Uma vantagem do estilete perfilometria é a sua falta de sensibilidade a diferentes propriedades ópticas de uma amostra, o que pode afectar a precisão da WLI / OP medições (a ser discutido mais tarde). Os mapas de superfície do artigo, foram obtidos utilizando um equipamento convencional de tipo Mirau WLI (Figura 1). Muitas empresas, como Zygo, KLA-Tencor, nanociência, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, e Taylor Hobson produzir comerciais de mesa instrumentos OP. Os mapas adquiridos foram reconstruídos e processadas utilizando o software comercial, do tipo que é comumente usado para WLI, eletrônica de varredura, or microscopia da sonda. O software tem a capacidade de realizar manipulações matemáticas da superfície, a seção transversal perfil análise nula, e os cálculos de volume de material, e correção de avião. Outros pacotes de software pode automatizar algumas dessas características.

<table border="1"><tbody><tr><td> Cristal único substratos de Si, GaAs e Cu </td><td></td><td></td><td> por pulverização catódica e ablação </td></tr><tr><td> Ligas de metais puros </td><td></td><td></td><td> para exemplos tribologia </td></tr></tbody></table>

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

Em ciência de materiais e engenharia muitas vezes é necessário para obter resultados quantitativos de topografia da superfície com resolução micrométrica lateral. Medido a partir da superfície, 3D mapas topográficos podem ser subsequentemente analisados ​​utilizando uma variedade de pacotes de software para extrair a informação que é necessário. Neste artigo, descreve como interferometria de luz branca, e perfilometria óptica (PO), em geral, combinado com um software de análise genérica superfície, pode ser utilizado para a ciência de materiais e tarefas de engenharia. Neste artigo, uma série de aplicações de interferometria de luz branca para a investigação de modificações superficiais em espectrometria de massa, e usar fenômenos em tribologia e lubrificação são demonstrados. Nós caracterizar os produtos da interacção dos semicondutores e metais com iões energéticos (sputtering), e irradiação laser (ablação), bem como as medições ex situ de desgaste dos corpos de prova tribológicas. </p&gt; Especificamente, vamos discutir: <ol class="lroman"><li> Aspectos de espectrometria de massa de íons sputtering tradicional baseada tais como taxas de sputtering / medições rendimentos sobre Si e Cu e conversão de tempo de profundidade subsequente. </li><li> Os resultados de caracterização quantitativa da interacção de irradiação de laser femtosegundo com uma superfície do semicondutor. Estes resultados são importantes para aplicações tais como a espectrometria de massa de ablação, em que as quantidades de material evaporado podem ser estudadas e controladas através de duração de pulso e de energia por impulso. Assim, ao determinar a geometria cratera pode-se definir resolução de profundidade e lateral versus condições experimentais de configuração. </li><li> As medições de parâmetros de rugosidade de superfície em duas dimensões, e as medições quantitativas do desgaste da superfície, que ocorrem como resultado do atrito e desgaste testes. </li></ol> Algumas desvantagens inerentes, artefatos possíveis, e as avaliações de incerteza da luz brancaabordagem interferometria será discutido e explicado.

<html><img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/50260/50260fig1.jpg" /> A Figura 1 uma fotografia de perfilometria simples utilizado no presente estudo:. Uma torreta objectivo múltiplo é visto na figura. Dois objetivos são padrão (10x e 50x), e dois são objetivos Mirau (10x e 50x). Este microscópio possui um recurso de ampliação intermediário que permite multiplicadores passo a passo de ampliação de 0,62, 1,00, 1,25, ou 2,00 a ser s...

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

Interferometria microscópio de luz branca é um método sem contato, óptico e rápido para medir a topografia de superfícies. É mostrado como o método pode ser aplicado para a análise de desgaste mecânico, que usam cicatrizes em amostras de teste são analisados ​​tribológicas e na ciência dos materiais para determinar feixe de iões ou deposição catódica volumes de ablação a laser e profundidades.

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

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

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Research

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Engineering

15.5K visualizações.  Argonne National Laboratory. Interferometria microscópio de luz branca é um método sem contato, óptico e rápido para medir a topografia de superfícies. É mostrado como o método pode ser aplicado para a análise de desgaste mecânico, que usam cicatrizes em amostras de teste são analisados ​​tribológicas e na ciência dos materiais para determinar feixe de iões ou deposição catódica volumes de ablação a laser e 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).

Fabricação e caracterização de guias de onda de luz de cristal fotônico lentas e 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 ...

Engenharia

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

Caracterização de Materiais de Eletrodo de íons de lítio e íon sódio Baterias Utilizando Técnicas Synchrotron Radiation

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.

Seletiva Área Modificação de Superfície Wettability Silicon por Pulsed Laser irradiação UV em meio 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.

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope de Inspeção MEMS e Caracterização

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.

Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caracterização

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.

Fabricação de White Light-emitting células eletroquímicas com emissão estável de Exciplexes

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.

Fabricação de Microsferas de Polímeros para Resonadores Ópticos e Aplicações Laser

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.

Os métodos experimentais de armadilhagem sem crueldade íons usando Microfabricated íon armadilhas de superfície

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.

Produção e caracterização de vácuo depositaram diodos emissores de luz orgânico

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.

Moldar a Amplitude e a fase dos feixes de Laser, usando um modulador de luz somente fase espacial

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