Le imperfezioni superficiali in dispositivi come ingranaggi o leve possono avere effetti disastrosi sull'affidabilità. Recenti studi hanno dimostrato l'utilità dei microscopi a forza atomica (AFM), strumenti che utilizzano minuscole punte a base di silicio per tracciare la topografia di tutti i tipi di substrati, nel determinare la rugosità superficiale in modo non distruttivo. Utilizzo efficace degli AFM nei luoghi di lavoro industriali, però, non è semplice e richiede un approccio diverso alla progettazione del microscopio. Poiché l'altezza della punta AFM e i meccanismi di scansione limitano i movimenti di misurazione a meno di dieci micrometri verticalmente ea diverse decine di micrometri lateralmente, la maggior parte degli AFM può misurare solo le superfici di oggetti estremamente piccoli.
Shihua Wang dell'A*STAR National Metrology Center di Singapore e i suoi collaboratori hanno ora sviluppato un AFM in grado di misurare strutture di scanalature profonde 100 micrometri, grazie ad un autoprodotto, punta affilata come un rasoio in diamante. Collegando questo puntale a un AFM metrologico di grande portata (LRM-AFM), i ricercatori hanno sviluppato un AFM in grado di scansionare in un intervallo millimetrico con risoluzione su scala nanometrica.
Wang e il suo team erano interessati all'utilizzo degli AFM per misurare i "passi" su nano e micro scala realizzati da scanalature rettangolari intagliate nel silicio solido. Questi oggetti con profondità oltre 10 micrometri, che sono importanti standard metrologici utilizzati per calibrare gli strumenti di profilatura superficiale, sono impossibili da ispezionare utilizzando i normali AFM. Oltre alle limitazioni dello scanner, il design normale di una sonda AFM, in cui una punta corta si estende da un lungo cantilever orizzontale, spesso provoca collisioni con le pareti laterali della scanalatura se il gradino è più profondo dell'altezza della punta.
Risolvere questo problema, i ricercatori hanno prima utilizzato un nuovo processo catalitico per far crescere un sottile pilastro di diamante, oltre 100 micrometri di lunghezza, da un substrato piano. Hanno quindi utilizzato un raggio ionico focalizzato per affilare l'estremità del pilastro in una punta piramidale a tre lati con un raggio dell'ordine di dieci nanometri:una procedura impegnativa, secondo Wang. Finalmente, hanno incollato con cura la punta di diamante su un micro-cantilever nel loro LRM-AFM recentemente sviluppato che ha intervalli di scansione su scala millimetrica.
I ricercatori hanno rivelato che la loro punta di diamante aveva un'elevata qualità meccanica, e potrebbe risolvere strutture superficiali con una risoluzione maggiore di nanometri. Inoltre, la lunghezza estesa della punta - oltre dieci volte maggiore rispetto alle punte convenzionali - significava che le punte diamantate potevano facilmente scansionare strutture a gradini che vanno da diversi nanometri a 100 micrometri di profondità. Questo approccio ha persino consentito misurazioni accurate delle pareti laterali delle scanalature difficili da individuare.
Una volta che i ricercatori hanno ottimizzato i parametri di scansione di questa nuova tecnica di microscopia, prevedono che ciò potrebbe portare all'esplorazione di nuove applicazioni nei settori dei semiconduttori e dell'ingegneria di precisione, che a sua volta può aiutare i produttori a raggiungere una consistenza produttiva ancora maggiore.
