Oppervlakte-onvolkomenheden in apparaten zoals tandwielen of hendels kunnen desastreuze gevolgen hebben voor de betrouwbaarheid. Recente studies hebben het nut aangetoond van atomic force microscopen (AFM's) - instrumenten die kleine op silicium gebaseerde tips gebruiken om de topografie van allerlei soorten substraten te traceren - bij het niet-destructief bepalen van de oppervlakteruwheid. Effectief gebruik van AFM's op industriële werkplekken, echter, is niet eenvoudig en vereist een andere benadering van het ontwerp van de microscoop. Omdat de AFM-tiphoogte en scanmechanismen de meetbewegingen beperken tot minder dan tien micrometer verticaal en enkele tientallen micrometers lateraal, de meeste AFM's kunnen alleen de oppervlakken van extreem kleine objecten meten.

Shihua Wang van het A*STAR Singapore's National Metrology Centre en collega's hebben nu een AFM ontwikkeld die groefstructuren kan meten die 100 micrometer diep zijn, dankzij een zelfgefabriceerde vlijmscherpe punt van diamant. Door deze tip te bevestigen aan een groot bereik metrologische AFM (LRM-AFM), de onderzoekers hebben een AFM ontwikkeld die in het millimeterbereik kan scannen met een resolutie op nanoschaal.

Wang en zijn team waren geïnteresseerd in het gebruik van AFM's om 'stappen' op nano- en microschaal te meten die zijn gemaakt van rechthoekige groeven die in massief silicium zijn uitgehouwen. Deze objecten met een diepte van meer dan 10 micrometer, wat belangrijke metrologische normen zijn die worden gebruikt om instrumenten voor oppervlakteprofilering te kalibreren, zijn niet te inspecteren met normale AFM's. Naast scannerbeperkingen, het normale ontwerp van een AFM-sonde - waarbij een korte tip uit een lange horizontale cantilever steekt - veroorzaakt vaak botsingen met groefzijwanden als de trede dieper is dan de hoogte van de tip.

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers gebruikten eerst een nieuw katalytisch proces om een ​​dunne diamanten pilaar te laten groeien, meer dan 100 micrometer lang, van een vlakke ondergrond. Vervolgens gebruikten ze een gefocusseerde ionenstraal om het uiteinde van de pilaar te slijpen tot een driezijdige piramidale punt met een straal in de orde van tien nanometer - een uitdagende procedure, volgens Wang. Eindelijk, ze lijmden de diamantpunt zorgvuldig op een micro-cantilever in hun recent ontwikkelde LRM-AFM met scanbereik op millimeterschaal.

De onderzoekers onthulden dat hun diamanten punt een hoge mechanische kwaliteit had, en zou oppervlaktestructuren kunnen oplossen met een resolutie van meer dan nanometer. In aanvulling, De verlengde lengte van de tip - meer dan tien keer groter dan conventionele tips - betekende dat de diamanten tips gemakkelijk stapstructuren konden scannen variërend van enkele nanometers tot 100 micrometer diep. Deze aanpak maakte zelfs nauwkeurige metingen mogelijk van de moeilijk te vinden zijwanden van de groeven.

Zodra de onderzoekers de scanparameters van deze nieuwe microscopietechniek hebben geoptimaliseerd, ze verwachten dat dit kan leiden tot de verkenning van nieuwe toepassingen in de halfgeleider- en fijnmechanische industrie, wat op zijn beurt fabrikanten kan helpen om nog grotere productieconsistenties te bereiken.