Im weiten Bereich der Materialwissenschaft hängt die Eigenschaft eines Materials letztlich von seiner Mikrostruktur ab. Jedes Detail beeinflusst die mechanischen, elektrischen, optischen und chemischen Eigenschaften des Materials, von den nanoskaligen Gitterfehlern bis hin zu den makroskopischen Oberflächenformen. Daher ist die präzise und tiefgreifende Charakterisierung der Mikrostruktur eines Materials ein zentraler Bestandteil der Forschung und Entwicklung neuer Materialien, der Prozessoptimierung und der Fehleranalyse. In diesem Bereich hat sich das Kofokus-Mikroskop von einer Technologie im biomedizinischen Bereich zu einer leistungsstarken Plattform für die Materialanalyse entwickelt, die mit seiner einzigartigen 3D-zerstörungsfreien Erkennungsfähigkeit den schichtlichen Nebel von Materialoberflächen und inneren Strukturen aufdeckt.

Von der Biologie zum Material: Grenzüberschreitende Verschmelzung der Prinzipien

Das Kernprinzip des Kofokusmikroskops besteht in der „Kofokussierung“ und dem „Punktscannen“. Im Gegensatz zu der Breitfeldbeleuchtung herkömmlicher optischer Mikroskope verwendet es eine Punktlichtquelle (normalerweise einen Laser), die durch das Objektiv hoch zusammenfließt und einen sehr kleinen Punkt auf der Probe beleuchtet. Das von diesem Punkt angeregte Signallicht (z. B. reflektiertes Licht, Fluoreszenz) passiert wieder durch das Objektiv und wird durch ein präzises Nadelloch vor dem Detektor gefiltert. Der Schlüssel zu diesem Nadelloch besteht darin, dass es mit der Fokusebene des Objektivs "konjugiert" ist, d. h. sie teilen denselben Fokus.

Dieses Design bringt einen revolutionären Vorteil: Raumfilterung. Nur das Signallicht, das vom Laserfokus ausgegeben wird, kann effizient durch das Nadelloch passieren und von Detektoren wie dem Photomultiplikator PMT erfasst werden. Die Streuung von Licht über oder unter der Fokusebene und die Ablenkung von Licht wird weitgehend blockiert, weil es nicht möglich ist, sich am Nadelloch zusammenzuführen. Durch Punkt-für-Punkt-Scannen des gesamten Sichtfeldes und eine Computer-Rekonstruktion erhält man schließlich ein reines, kontrastigs 2D-Bild. Durch die präzise Steuerung der Z-Achsenbewegung und die Erhaltung einer Reihe zweidimensionaler optischer Schnitte in unterschiedlichen Tiefen kann das dreidimensionale Profil der Probe ohne Schäden rekonstruiert werden.

Wenn diese Technik von transparenten biologischen Proben zu undurchsichtigen, hochreflektierenden, mehrstrukturierten Materialproben wechselt, entwickelt sich auch ihr Detektionsmuster entsprechend. In der Materialwissenschaft arbeiten Laser-Kofokus-Scannmikroskope hauptsächlich im Reflexionsmodus. Der Laser wird auf der Oberfläche des Materials reflektiert und seine Intensität hängt von der Reflexivität des Materials, der Oberflächenneigung, der Rauheit und der chemischen Zusammensetzung ab. Durch die Messung der reflektierten Lichtintensität an jedem Punkt können Informationen über die chemische Zusammensetzung der Oberfläche, die Phasenverteilung usw. erhalten werden. Noch wichtiger ist, dass durch Z-Achse-Scan und dreidimensionale Rekonstruktion dreidimensionale Profildaten auf der Oberfläche der Probe auf nanoebener Genauigkeit erhalten werden können.

2. Kernanwendungen: Verschiedene herkömmliche Materialanalyse

1. 3D-Oberflächenformation und Rauheitsanalyse

Es handelt sich um eine direkte und weit verbreitete Anwendung des Kofokusmikroskops in der Materialwissenschaft. Ein herkömmliches Kontaktprofiliergerät kratzt weiche Proben, während ein Atomkraftmikroskop einen begrenzten Scanbereich aufweist. Das Kofokussmikroskop schließt die Lücke zwischen den beiden – es ermöglicht sowohl berührungsfreie, zerstörungsfreie Messungen als auch eine vertikale Auflösung auf nanoskala bei großem Sichtfeld.

Anwendungsbeispiele: In der mechanischen Bearbeitung, zur genauen Beurteilung der Oberflächenrauheit, Wellenheit von Werkzeugen, Lagern, Zahnrädern und anderen Schlüsselkomponenten, zur Analyse der Auswirkungen von Schleifen, Polieren, Schleifen und anderen Prozessen. Im Bereich der Beschichtung kann die Gleichheit der Beschichtungsoberfläche, der Orangenhauseffekt usw. quantifiziert werden und ihre Beziehung zum Aussehen und zur Korrosionsbeständigkeit verknüpft werden. Es bietet Dutzende von dreidimensionalen Rauheitsparametern, einschließlich der arithmetischen Durchschnittsrauheit, der Durchschnittsrauheit der Quadratwurzel und der Spitzentalwerte, die weit über die zweidimensionale Konturanalyse hinausgehen.

2. Dünnfilm- und mehrschichtige Strukturanalyse

Moderne Funktionsmaterialien verwenden häufig mehrschichtige Filmstrukturen, wie Halbleiterchips, optische Filme, Photovoltaik-Batterien, Display-Panels usw. Seine "optische Schnittfähigkeit" ermöglicht es, eine Schnittanalyse von transparenten oder mehrschichtigen Strukturen ohne physikalischen Schnitt durchzuführen.

Anwendungsbeispiele: In der Forschung und Entwicklung von OLED-Displays kann die Dickeneinheit, die Fehler oder die Verschmutzung der einzelnen organischen Funktionsschichten beschädigungslos erkannt werden. In der integrierten Schaltung kann die dreidimensionale Form der Dielektrischen Schicht und der Photogravierschicht beobachtet werden. Durch spezifische fluoreszierende Farbstoffe können sogar die Verteilung der verschiedenen Phasen und die Grenzfläche in Verbundstoffen markiert und beobachtet werden.

3. Bruch- und Ausfallanalyse

Die Bruchform nach dem Bruch des Materials enthält reiche Informationen über den Bruchmechanismus (z. B. Zähigkeit, Zerbrechung, Ermüdung). Die dreidimensionale Rekonstruktionsfähigkeit des Kofokussmikroskops ermöglicht die präzise Messung von Müdigkeitsstrahlen, der Größe und der Tiefe des Binnennetzes auf dem Bruch, um die Ausdehnungsrate und die Spannungsbedingungen des Risses abzuschieben.

Anwendungsbeispiel: Analyse eines Flugmotorblattes, das während des Dienstes gebrochen ist. Durch dreidimensionale Bildgebung können die morphologischen Merkmale von Rißquellen, Expansionszonen und Zwischenzonen eindeutig unterschieden werden, die Tiefe und Winkel der Rißquellen genau gemessen werden und intuitive Beweise für die Ursache des Unfalls und die Verbesserung der Struktur liefern. Sein großer Vorteil ist es, dass auch bei sehr rauen Schnitten ein insgesamt klares Bild erzielt werden kann.

4. Verschleiß-, Korrosions- und Prozessforschung

Das Kofokusmikroskop ist ein Instrument zur Forschung dynamischer Prozesse. Durch das Scannen einer Zeitreihe des gleichen Bereiches kann die Entwicklung der Materialoberfläche quantitativ verfolgt werden.

Anwendungsbeispiele:

Verschleißprüfung: In der Friktionsstudie können die Oberflächen der Reibseite regelmäßig gescannt werden, um den Breite-, Tiefe- und Volumenverlust der Schmerzen genau zu quantifizieren und den Verschleißprozess in Echtzeit zu überwachen.

Korrosionsforschung: Beobachten Sie die Entstehung, das Wachstum und die Fusion von Metallmaterialien in einer korrosiven Umgebung. Durch dreidimensionale Messungen können die Korrosionsgeschwindigkeit und die Verteilung der Tiefe des Grubens berechnet und die Korrosionsbeständigkeit des Materials bewertet werden.

Phasenwechselstudie: Für bestimmte Materialien, die bei Temperaturänderungen eine Phasenwechsel auftreten, kann ein kofokuläres Mikroskop verwendet werden, um die Bildung und Veränderung ihres Oberflächenblockeffekts zu beobachten und den dynamischen Prozess der Phasenwechsel zu untersuchen.

Dimensionsmessung und Reverse Engineering

In der Präzisionsfertigung spielt das Kofokussmikroskop die Rolle einer hochpräzisen dreidimensionalen Koordinatenmessmaschine. Es ermöglicht den schnellen Zugang zu vollständigen 3D-Punktwolkendaten für komplexe Mikrokomponenten wie MEMS-Geräte, Mikrospritzgießen und Medizingeräte.

Anwendungsbeispiele: Zur Messung von Zahnaufstand, Zahnhöhe, Durchmesser und Tiefe von Mikroporen-Arrays, um sicherzustellen, dass sie den Konstruktionstoleranzen entsprechen. Im Reverse Engineering können Sie eine vorhandene Probe verlustlos scannen, um ein präzises dreidimensionales Modell zu erhalten, das zur Kopierung, Verbesserung oder digitalen Archivierung verwendet werden kann.

Vergleichsvorteile gegenüber anderen Technologien

Versus Scan-Elektronenmikroskop: SEM bietet eine höhere Auflösung und eine größere Feldtiefe, erfordert jedoch in der Regel eine Vakuumündung und eine leitfähige Beschichtung, die es schwierig macht, ölhaltige, wasserhaltige oder weiche Biomaterialien / Polymeren zu analysieren. Das Kofokus-Mikroskop erfordert eine sehr geringe Probenvorbereitung, braucht kein Vakuum, kann größere, dickere Proben verarbeiten und präzise dreidimensionale Profildaten liefern, während die dreidimensionale Rekonstruktion von SEM komplexer und nicht direkt genug ist.

vs. Atomkraftmikroskop: AFM hat eine atomische Auflösung, aber seine Scanbereiche sind sehr klein (in der Regel Dutzende Mikrometer), die Scangeschwindigkeit ist langsam und die Sonde besteht das Risiko, weiche Proben zu verschleißen und zu beschädigen. Das Kofokussmikroskop hat offensichtliche Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, große Sichtfeldmessungen und Verlustfreiheit.