Name: characterization of surface modifications by white light interferometry: applications in ion sputtering, laser ablation, and tribology experiments
Uploaded: 2013-02-27T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments at JoVE.com

Den bestrålade GaAs provet från Yang Cui vid University of Illinois i Chicago. Detta arbete stöddes enligt kontrakt nr DE-AC02-06CH11357 mellan UChicago Argonne, LLC och US Department of Energy och av NASA genom bidrag NNH08AH761 och NNH08ZDA001N, och Office of Vehicle Technologies för US Department of Energy under kontrakt DE-AC02 -06CH11357. Den elektronmikroskopi genomfördes vid elektronmikroskopi Centrum för Materials Research vid Argonne National Laboratory, en US Department of Energy Office of Science Laboratory, som drivs under kontrakt DE-AC02-06CH11357 av UChicago Argonne, LLC.

1. Hårdvara anpassning för General WLI Scan För att få kvantitativ information via WLI kan följande steg användas som en riktlinje. Det antas att operatören har grundläggande kunskaper i interferometer drift. Riktlinjerna är vanliga oavsett den specifika instrumentet. För vissa undersökningar kommer provet vara platt. För andra kan provet vara krökt. <ol><li> Placera provet på scenen med funktionen (jon finfördelat krater, jonstråle / avlägsnade plats, eller bära ärr) v?...

Exempel 1 WLI inte allmänt används för ytan karakterisering tribologisk arbete, men det är i själva verket en kraftfull metod för kvantitativ mätning av slitage volymer för många kontakt geometrier. WLI ger en fullständig 3D-representation av ytan som kan analyseras med någon av flera paket visualiseringsprogram. Dessa paket möjliggör olika typer av mätningar som skall utföras. För större lateral upplösning, kan bilderna &quot;sys&quot; ihop för att producera ett stort områd...

Ytan på fasta material avgör till stor del egenskaper av intresse för dessa material: elektroniskt, strukturellt och kemiskt. I många forskningsområden, tillsats av material (t.ex. tunn film avsättning genom pulsad laser / magnetronförstoftning avsättning, fysikalisk / kemisk ångavsättning), avlägsnande av material (reaktiv jonetsning, jon sputtring, laserablation, etc), eller några andra processer, måste karaktäriseras. Dessutom har ytmodifiering genom interaktion med energiska ljuspulser eller laddade partiklar många tillämpningar och är av grundläggande intresse. Tribologi, läran om friktion och slitage, är ett annat område av intresse. På en bänk skala, en mängd tribologiska testa geometrier finns. Icke-konform kontakt geometrier kan användas, och en kula eller cylinder kan glida eller vridas mot en plan yta, en annan boll, eller cylinder, för en längd av tid, och mängden material som avlägsnas är migasured. Eftersom slitaget ärr är tredimensionell och oregelbunden till sin natur, kan optiska profilometri vara den enda teknik som är lämplig för att erhålla noggranna mätningar slitage volym. Gemensam analys uppgifterna hör även parametrar ytfinhet, steghöjd, förlust av material volym, trench djup och så vidare, alla av dem kan erhållas dessutom till enkel 2D och 3D topografi visualisering. Optisk profilometri avser alla optiska metod som används för att rekonstruera profilen av ytor. Profilometrisk metoder inkluderar vitt ljus interferometrisk, laser eller konfokala metoder. Vissa optiska ytfinhet få information genom metoder baserade på konventionella diffraktionsbegränsad mikroskop mål. Exempelvis kan en scanning laser integreras med ett mikroskop för att erhålla topografiska och sann färginformation av ytor. En andra metod använder en teknik som utnyttjar extremt litet djup i fokus av konventionella mål att montera en series av i-fokus &quot;image skivor&quot; av ytan för att få en 3D topografisk karta. I detta arbete visar vi hur ett vitt ljus interferometrisk mikroskop / profilometer möjliggör mätning av mängden material som förloras under mekaniskt slitage processer, eller under material etsning processer såsom ion sputtering kratrar eller laserablation. De flesta uppmärksamhet ägnas åt metoder av denna metod för att illustrera sin stora installerad kapacitet som gör det allmänt tillgängliga och attraktiva för många tillämpningar. De flesta typer av WLI utnyttja Mirau tekniken, som använder en spegel inuti mikroskopet målet att orsaka interferens mellan en referens ljussignal och ljuset som reflekteras från provets yta. Valet av Mirau interferometri dikteras av enkel bekvämlighet, eftersom hela Mirau interferometern kan passa inuti mikroskopet objektivlins och kopplad till en vanlig optiskt mikroskop (figur 1). En serie av två-dimensionell blandferograms förvärvas med en videokamera och programvara monterar en 3D topografisk karta. Den vita ljuskällan levererar brett spektrum belysning som hjälper till att övervinna den &quot;fringe ordning&quot; tvetydighet inneboende en monokromatisk källa. En monokromatisk ljuskälla kan användas för att erhålla mer noggrann mätning av grunda topografiska egenskaper. Den laterala upplösningen grunden är begränsad till λ / 2 (numerisk apertur NA = 1), men i de flesta fall är större, bestäms av NA av målet, som i sin tur är ansluten till förstoring / fält-of-view storlek. Tabell 1 i Ref. 1 har en direkt jämförelse av alla nämnda parametrar. Djupupplösning tillvägagångssätt ≈ 1 nm, är en funktion av den interferometriska natur tekniken. Ytterligare information om Mirau WLI finns i ref. 2, 3. En introduktion till vitt ljus interferometriska tillvägagångssätt återfinns i Ref. 4. Andra metoder för analys av ytor är atomär konstruktöe mikroskopi (AFM), svepelektronmikroskopi (SEM), och pennan profilometri. Den WLI tekniken jämföras med dessa metoder och har sina egna fördelar och nackdelar som beror på den optiska karaktären av metoden. AFM kan få 3D-bilder och därmed motsvarande tvärsnitt, men AFM har en begränsad scanning förmåga i de laterala (&lt;100 nm) och djup (&lt;10 nm) axlar. I motsats till dem, är den största fördelen med WLI den flexibla field-of-view (FOV) på upp till några millimeter med samtidig verklig 3D avbildande förmåga. Dessutom, som vi kommer att visa att det har stor vertikal kapacitet skanning sortiment, tillåter en att lösa en mängd problem med ytmodifiering helt enkelt. Forskare som arbetat med AFM är medvetna om problemet med planet placering av ett prov vid mätning långa drag med låga vertikala gradienter. Generellt kan man tänka på WLI / OP som en &quot;express&quot; teknik över AFM. Naturligtvis finnsett antal områden för vilka endast AFM är lämplig: när laterala funktioner som ska lösas har karakteristiska dimensioner mindre än den laterala upplösning WLI eller instanser där data från WLI är tvetydigt på grund av okända eller komplexa optiska egenskaper hos ett prov på ett sätt som påverkar mätnoggrannheten (diskuteras senare), osv SEM är ett kraftfullt sätt att se på ytor, som är mycket flexibel när det gäller FOV storlek med stora skärpedjup, större än någon konventionell optisk mikroskop kan erbjuda. Samtidigt är 3D-avbildning av SEM besvärligt, särskilt som det kräver tagande av stereo-par bilder som sedan omvandlas till 3D-bilder med anaglyphic metoden, eller genom att observera med optiska tittare, eller användas för direkt beräkning av djup mellan olika intressanta på ett prov. 5 däremot erbjuder WLI / OP profilometri lätt att använda 3D-rekonstruktion med samtidigt flexibel FOV. WLI söker igenom helahöjdrörelse behövs för det speciella provet (från nanometer till hundratals mikrometer). WLI är opåverkade av den elektriska ledningsförmågan av provmaterialet, vilket kan vara ett problem med SEM. WLI uppenbarligen inte kräver ett vakuum. Å andra sidan finns det ett antal applikationer som SEM ger överlägsen information: laterala funktioner som ska lösas av karakteristiska dimensioner under den laterala upplösning WLI, eller fall där olika delar av ett prov kan topografiskt urskiljas endast när sekundär elektronemission koefficienter skiljer sig åt. En mer teknik för ytinspektion, som ofta används i sekundär jon masspektrometri 6 och inom mikroelektromekaniska system karakterisering 7 är pennan profilometri. Denna teknik är populär på grund av dess enkelhet och robusthet. Den är baserad på direkt mekanisk kontakt scanning av en stiftspetsen över provytan. Detta är en grov kontakt verktyg, Vilket är stånd att skanna längs en enda linje vid en tidpunkt. Det gör 3D-yta raster-scan avbildning extremt tidskrävande. En annan nackdel med pennan tekniken är svårigheten att mäta ytegenskaper hos högt sidoförhållande och storlek jämförbar med dess karakteristiska spets storlek (submikron till flera mikron typiskt) som innebär en spetsradie och en spets spetsvinkel. En fördel med penna profilometri är dess okänslighet för olika optiska egenskaper hos ett prov som kan påverka noggrannheten hos WLI / OP mätningar (som kommer att diskuteras senare). Ytan kartor i denna artikel erhölls med hjälp av en konventionell Mirau typ WLI (figur 1). Många företag som Zygo, KLA-Tencor, nanovetenskap, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, och Taylor Hobson producera kommersiella bordssötningsmedel OP instrument. De förvärvade kartorna rekonstruerades och bearbetas med kommersiell mjukvara av den typ som vanligen används för WLI, skanning elektron, OR sond mikroskopi. Programvaran har förmågan att utföra matematiska manipulationer av ytan, tvärsnittsprofil analys, tomrum och material volymberäkning, och plan korrigering. Andra mjukvarupaket kan automatisera en del av dessa funktioner.

<table border="1"><tbody><tr><td> Enkristall-substrat av Si, GaAs och Cu </td><td></td><td></td><td> för förstoftning och ablation </td></tr><tr><td> Rena metallegeringar </td><td></td><td></td><td> för tribologi exempel </td></tr></tbody></table>

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

I materialvetenskap och teknik är det ofta nödvändigt att erhålla kvantitativa mätningar av yttopografi med mikrometer lateral upplösning. Från den uppmätta ytan kan 3D topografiska kartor därefter analyseras med hjälp av olika programvaror för att extrahera information som behövs. I den här artikeln beskriver vi hur vitt ljus interferometri och optisk profilometri (OP) i allmänhet i kombination med allmän yta analysprogram kan användas för materialvetenskap och uppgifter teknik. I den här artikeln, är ett antal tillämpningar av vitt ljus interferometri för undersökning av ytmodifieringar i masspektrometri, och bära fenomen i tribologi och smörjning demonstreras. Vi karakterisera produkterna av samspelet mellan halvledare och metaller med energetiska joner (sputtring) och laser bestrålning (ablation), samt ex situ mätningar av förslitning av tribologiska provkroppar. </p&gt; Specifikt kommer vi att diskutera: <ol class="lroman"><li> Aspekter av traditionella jon sputtering-baserade masspektrometri såsom förstoftning priser / avkastning mätningar på Si och Cu och efterföljande tid till fördjupad konvertering. </li><li> Resultat av kvantitativ karakterisering av interaktionen av femtosecond laserbestrålning med en halvledaryta. Dessa resultat är viktiga för tillämpningar såsom ablation masspektrometri, där mängder av avdunstat material kan studeras och kontrolleras via pulsvaraktighet och energi per puls. Sålunda, genom att bestämma kratern geometri kan definiera djup och lateral upplösning kontra experimentuppställning förhållanden. </li><li> Mätningar av parametrar ytjämnheten i två dimensioner, och kvantitativa mätningar av ytan slitage som uppstår som ett resultat av friktion och slitage tester. </li></ol> Vissa inneboende nackdelar, eventuella artefakter, och bedömningar osäkerheten i vitt ljusinterferometri strategi kommer att diskuteras och förklaras.

<html><img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/50260/50260fig1.jpg" /> Figur 1 Fotografi av en enkel profilometer som används i föreliggande studie:. En multipel mål torn syns i bilden. Två mål är standard (10x och 50x) och två är Mirau mål (10x och 50x). Denna mikroskop har en mellanliggande förstoring funktion som gör stegvis förstoring multiplikatorer av 0,62, 1,00, 1,25, eller 2,00 skall väljas. <a href="http://www.jove.com/fi...

Watch this Scientific Journal Video about Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments at JoVE.com

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

Vitt ljus mikroskop interferometry är en optisk, kontaktfria och snabb metod för att mäta topografin av ytor. Det visas hur metoden kan tillämpas mot mekaniskt slitage analys där bär ärr på tribologiska proverna analyseras, och i materialvetenskap bestämma jonstråle sputtring eller laser volymer ablation och djup.

Karakterisering av ytmodifieringar av White Light interferometri: tillämpningar Ion sputtring, laserablation, och tribologi Experiment

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Framställning och karaktärisering av fotoniska kristaller Slow ljusvågledare och håligheter

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 ...

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

Karakterisering av elektrodmaterial för Lithium Ion och Sodium Ion batterier Använda tekniker 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

Selektiv Area Ändring av Silicon ytvätbarhet av pulsad UV laserstrålning i flytande miljö

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

Kompakt Lens mindre Digital Holographic Mikroskop för MEMS inspektion och karakterisering

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

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

Tryckning Tillverkning av Bulk hetero solceller och<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

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

Tillverkning av White Light-emitting elektrokemiska celler med stabil Emission från 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

Tillverkning av polymera mikrosfärer för optisk resonator och laserapplikationer

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

Experimentella metoder för fångstmetoder joner använder biochips yta Ion fällor

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

Produktion och karakterisering av vakuum deponerade organiska lysdioder

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

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

Bestämning av magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och ytan Plasmon Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...