Direct and indirect methods for micro/nano characterisation of dimensional and functional properties of engineering surfaces

Abstract

Nanotechnologie als Name gibt es seit 1974. Sie wurde von Taniguchi als eine Technologie definiert, die Dimensionen und Toleranzen zwischen 0.1nm und 1mm möglich macht. Im weiteren Sinn bezieht sich die Nanotechnologie auf das Manipulieren, die Herstellung und das Messen von Strukturen zwischen 0.1nm bis 100nm. Die elektronische und optische Industrie beschäftigen sich mit der Herstellung und der Messung von verschiedenen MEMS/NEMS Produkten. Nanomesstechnik ist die Basis einer neuen Messtechnik, die für die Nanotechnologie entwickelt werden muss. Erfolgreiche Industriebereiche wie präzise Fertigung, Opto-Elektronik sowie Bio-Molekular Technologie können ohne Nanomesstechnik ihre Entwicklungspotentiale nicht ausschöpfen. Die Ursache überwiegender Produktfehler ist die Oberfläche und ihre Eigenschaften durch Mechanismen wie Ermüdungsrissbildung, Verschleiß, übermäßige Abtragung, Korrosion, Erosion und Oberflächen-Beschichtungsfehler. Das Feld präziser Fertigung ist von Oberflächen-Qualität und ihrer Funktionalität abhängig, deswegen ist es sehr wichtig die Oberflächeneigenschaften von Materialien und Strukturen zu verstehen.<br />Ziel dieser Arbeit ist die zwei Methoden zur Beurteilung von Oberflächenqualität und ihre Funktionalität für Micro/Nano-Strukturen zu präsentieren und zu zeigen, wie die beiden Methoden gemeinsam in der zukünftigen Oberflächenwissenschaft eingesetzt werden müssen.<br />1) Die direkte Methode für das Charakterisieren von Micro/Nano gefertigten Strukturen und Oberflächen. 2) Die indirekte Methode für das Micro/Nano-Charakterisieren von oberflächengefertigten Produkten und Strukturen Die direkte Methode ist das Hauptziel experimenteller Festkörperforschung für die Charakterisierung von Oberflächenstrukturen. Solche Informationen werden zum Verbinden geometrischer und physikalischer Eigenschaften von Festkörpern verwendet. Diese Eigenschaften können als Oberflächenintegrität verstanden werden. Die Integrität von Oberflächen wird nicht als eine Einheit gemessen sondern durch die Metallurgie/Chemie im Sinne von Micro/Nano-Strukturelle Charakterisierung gemessen um eine atomische Betrachtung von Strukturen zu ermöglichen.<br />Die indirekte Methode misst die Integrität einer Oberfläche im Sinne von Micro/Nano Oberflächenmesstechnik. Die Entwicklung von Oberflächenstruktur, Form und 3D Oberflächen-Charakterisierung , Topography und Rauheitskenngrößen für Verschleiß und Reibung hat zur Micro/Nano Oberflächenmesstechnik geführt. 3D Oberflächenmesstechnik ist ein wertvolles Werkzeug im Bereich Oberflächen-Analyse betreffend Verschleiß, Indentation, Topography, Kontaktprobleme und funktionelles Verhalten von Oberflächen.<br />

The term "nanotechnology" was used by Taniguchi as far back as 1974 when he defined it as the technology where dimensions and tolerances in the range of 0.1nm to 1mm would prevail. Now nanotechnology has taken on a far wider meaning and relates to manipulation, fabrication and measurement of structures in the range of 0.1 nm to100nm. The electronic and optics industries both involving manufacturing and measurement produce a range of products which include MEMS/NEMS devices.<br />Nanometrology is the basis of the new metrology that must be developed for nanotechnology.Prosperous industrial sectors such as Precision Engineering, Micro- & optoelectronics, as well as Bio-molecular technology will not be able to develop to their full potential without associated developments in nanometrology. The vast majority of all product failures in practice are surface initiated, through mechanisms such as fatigue cracking, fretting wear, excessive abrasive, corrosion, erosion, surface coating failure etc. The field of precision manufacturing in particular will become critically dependent on surface quality and functionality. Clearly then it is important to understand the properties of the surface and near surface zones of industrial material and structures.<br />The aim of this work is to present the two methods in assessment of surface quality and functionality of Micro/Nano structures and surfaces and to show how both methods must go hand in hand in the future of surface science: 1. The direct method for characterization of Micro/Nano fabricated structures, surfaces and materials. 2. Indirect method for Micro/Nano scale characterization of surface finished products and structures.<br />The direct method is one of the principal objectives in the experimental study of bulk solids for the characterization of surface structure. Such information is used to provide a link between geometric structure and the other physical properties of a solid. These properties can be grouped together under the term surface integrity. The integrity of a surface is not measured as a single entity but is assessed through assessment of the surface metallurgy/chemistry by mean of micro/nano-structural characterization to give an atomistic view of surfaces and their functional behaviour. The indirect method on the other hand measures the integrity of a surface by means of micro/nano scaled surface metrology. The development of surface texture, form and 3D surface characterisation methodologies, topography and roughness parameters considering wear and friction has lead the micro/nano scaled surface metrology research to become involved in characterization of engineering surfaces. 3D surface measurement is already providing to be an invaluable tool in several areas of surface analysis including wear, indentation, topography, contact problems and functional behaviour of surfaces.