Les imperfections de surface des appareils tels que les engrenages ou les leviers peuvent avoir des effets désastreux sur la fiabilité. Des études récentes ont démontré l'utilité des microscopes à force atomique (AFM) - des instruments qui utilisent de minuscules pointes à base de silicium pour tracer la topographie de toutes sortes de substrats - pour déterminer la rugosité de surface de manière non destructive. Utiliser efficacement les AFM dans les lieux de travail industriels, cependant, n'est pas simple et nécessite une approche différente de la conception du microscope. Comme la hauteur de pointe de l'AFM et les mécanismes de balayage limitent les mouvements de mesure à moins de dix micromètres verticalement et plusieurs dizaines de micromètres latéralement, la plupart des AFM ne peuvent mesurer que les surfaces d'objets extrêmement petits.
Shihua Wang du Centre national de métrologie A*STAR de Singapour et ses collègues ont maintenant développé un AFM qui peut mesurer des structures de rainures d'une profondeur de 100 micromètres, grâce à un auto-fabriqué, pointe acérée comme un rasoir en diamant. En attachant cette pointe à un AFM métrologique à grande portée (LRM-AFM), les chercheurs ont développé un AFM capable de numériser dans une plage millimétrique avec une résolution à l'échelle nanométrique.
Wang et son équipe étaient intéressés par l'utilisation d'AFM pour mesurer des « pas » à l'échelle nanométrique et microscopique fabriqués à partir de rainures rectangulaires sculptées dans du silicium solide. Ces objets avec une profondeur de plus de 10 micromètres, qui sont des normes métrologiques importantes utilisées pour étalonner les instruments de profilage de surface, sont impossibles à inspecter à l'aide d'AFM normaux. En plus des limitations du scanner, la conception normale d'une sonde AFM - dans laquelle une pointe courte s'étend d'un long porte-à-faux horizontal - provoque souvent des collisions avec les parois latérales de la rainure si la marche est plus profonde que la hauteur de la pointe.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont d'abord utilisé un nouveau procédé catalytique pour faire pousser un mince pilier de diamant, plus de 100 micromètres de long, à partir d'un substrat plat. Ils ont ensuite utilisé un faisceau d'ions focalisé pour affûter l'extrémité du pilier en une pointe pyramidale à trois côtés avec un rayon de l'ordre de dix nanomètres - une procédure difficile, selon Wang. Finalement, ils ont soigneusement collé la pointe de diamant sur un micro-cantilever dans leur LRM-AFM récemment développé qui a des plages de balayage à l'échelle millimétrique.
Les chercheurs ont révélé que leur pointe de diamant avait une haute qualité mécanique, et pourrait résoudre les structures de surface avec une résolution supérieure au nanomètre. En outre, la longueur étendue de la pointe - plus de dix fois plus grande que les pointes conventionnelles - signifiait que les pointes en diamant pouvaient facilement balayer des structures en gradins allant de plusieurs nanomètres à 100 micromètres de profondeur. Cette approche a même permis des mesures précises des parois latérales des rainures difficiles à repérer.
Une fois que les chercheurs ont optimisé les paramètres de numérisation de cette nouvelle technique de microscopie, ils prévoient que cela peut conduire à l'exploration de nouvelles applications dans les industries des semi-conducteurs et de l'ingénierie de précision, ce qui peut à son tour aider les fabricants à atteindre des cohérences de production encore plus grandes.
