As imperfeições da superfície em dispositivos como engrenagens ou alavancas podem ter efeitos desastrosos sobre a confiabilidade. Estudos recentes demonstraram a utilidade dos microscópios de força atômica (AFMs) - instrumentos que usam minúsculas pontas à base de silício para traçar a topografia de todos os tipos de substratos - na determinação da rugosidade da superfície de forma não destrutiva. Usando AFMs de forma eficaz em locais de trabalho industriais, Contudo, não é simples e requer uma abordagem diferente para o projeto do microscópio. Como a altura da ponta do AFM e os mecanismos de varredura restringem os movimentos de medição a menos de dez micrômetros verticalmente e várias dezenas de micrômetros lateralmente, a maioria dos AFMs pode medir apenas as superfícies de objetos extremamente pequenos.
Shihua Wang do Centro Nacional de Metrologia da A * STAR Cingapura e colegas de trabalho desenvolveram agora um AFM que pode medir estruturas de sulco com 100 micrômetros de profundidade, graças a um auto-fabricado, ponta afiada como navalha feita de diamante. Ao anexar esta ponta a um AFM metrológico de grande alcance (LRM-AFM), os pesquisadores desenvolveram um AFM capaz de escanear na faixa milimétrica com resolução em nanoescala.
Wang e sua equipe estavam interessados em usar AFMs para medir "etapas" em nano e microescala feitas de ranhuras retangulares esculpidas em silício sólido. Esses objetos com profundidade superior a 10 micrômetros, que são padrões metrológicos importantes usados para calibrar instrumentos de perfil de superfície, são impossíveis de inspecionar usando AFMs normais. Além das limitações do scanner, o projeto normal de uma sonda AFM - em que uma ponta curta se estende para fora de um cantilever horizontal longo - muitas vezes causa colisões com as paredes laterais do sulco se o degrau for mais profundo do que a altura da ponta.
Para resolver este problema, os pesquisadores primeiro usaram um novo processo catalítico para fazer crescer um pilar de diamante fino, com mais de 100 micrômetros de comprimento, a partir de um substrato plano. Eles então usaram um feixe de íons focalizado para afiar a extremidade do pilar em uma ponta piramidal de três lados com um raio da ordem de dez nanômetros - um procedimento desafiador, de acordo com Wang. Finalmente, eles colaram cuidadosamente a ponta de diamante em um micro-cantilever em seu LRM-AFM recentemente desenvolvido que tem faixas de varredura em escala milimétrica.
Os pesquisadores revelaram que sua ponta de diamante tinha uma alta qualidade mecânica, e poderia resolver estruturas de superfície com resolução maior do que nanômetro. Além disso, o comprimento estendido da ponta - mais de dez vezes maior do que as pontas convencionais - significava que as pontas de diamante podiam facilmente escanear estruturas de degraus que variam de vários nanômetros a 100 micrômetros de profundidade. Essa abordagem permitiu até mesmo medições precisas das paredes laterais das ranhuras de difícil localização.
Uma vez que os pesquisadores otimizam os parâmetros de varredura desta nova técnica de microscopia, eles antecipam que isso pode levar à exploração de novas aplicações nas indústrias de semicondutores e engenharia de precisão, o que pode, por sua vez, ajudar os fabricantes a obter consistências de produção ainda maiores.
