Trong phạm vi rộng lớn của khoa học vật liệu, tính chất của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của nó. Từ những khiếm khuyết về mạng ở cấp độ nano đến hình dạng bề mặt vĩ mô, mọi chi tiết đều ảnh hưởng sâu sắc đến các đặc tính cơ học, điện, quang học và hóa học của vật liệu. Do đó, mô tả chính xác và sâu sắc cấu trúc vi mô vật liệu, trở thành liên kết cốt lõi của nghiên cứu và phát triển vật liệu mới, tối ưu hóa quy trình và phân tích lỗi. Trong lĩnh vực này, kính hiển vi co-focus đã biến đổi từ một công nghệ trong lĩnh vực y sinh thành một nền tảng mạnh mẽ để phân tích vật liệu, với khả năng phát hiện không phá hủy ba chiều độc đáo, cho chúng ta thấy các lớp sương mù của bề mặt vật liệu và cấu trúc bên trong.

I. Từ sinh học đến vật liệu: sự kết hợp xuyên biên giới của các nguyên tắc

Nguyên tắc cốt lõi của kính hiển vi co-focus là "co-focus" và "quét điểm". Không giống như ánh sáng trường rộng của kính hiển vi quang học thông thường, nó sử dụng một nguồn ánh sáng điểm (thường là laser) hội tụ cao qua vật kính và chiếu vào một điểm cực nhỏ trên mẫu. Ánh sáng tín hiệu được kích thích bởi điểm này (như ánh sáng phản xạ, huỳnh quang) một lần nữa đi qua vật kính và được lọc bởi một lỗ kim chính xác nằm ở phía trước của máy dò. Điểm mấu chốt của lỗ kim này là nó "liên hợp" với mặt phẳng tiêu cự của vật kính, tức là chúng chia sẻ cùng một tiêu điểm.

Thiết kế này mang lại một lợi thế mang tính cách mạng: lọc không gian. Chỉ ánh sáng tín hiệu phát ra từ tiêu điểm laser mới có thể đi qua lỗ kim một cách hiệu quả và được chụp bởi các máy dò như ống quang PMT. Mà ánh sáng tán xạ, ánh sáng ly tiêu đến từ phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng tiêu cự, thì bởi vì không thể hội tụ ở lỗ kim mà bị tuyệt đại bộ phận ngăn cản. Bằng cách quét toàn bộ trường nhìn từng điểm, sau đó tái cấu trúc máy tính, cuối cùng thu được một bức ảnh hai chiều có nền tinh khiết, độ tương phản cao. Hơn nữa, bằng cách kiểm soát chính xác sự di chuyển của trục Z, thu được một loạt các lát quang học hai chiều ở các độ sâu khác nhau, bạn có thể xây dựng lại hình dạng ba chiều của mẫu mà không bị tổn hại.

Khi công nghệ này chuyển từ các mẫu sinh học trong suốt sang các mẫu vật liệu mờ, phản xạ cao, đa cấu trúc, mô hình phát hiện của nó cũng phát triển tương ứng. Trong khoa học vật liệu, kính hiển vi quét laser co-focus hoạt động chủ yếu ở chế độ phản xạ. Tia laser được phản xạ trên bề mặt vật liệu và cường độ của nó phụ thuộc vào độ phản xạ của vật liệu, độ nghiêng bề mặt, độ nhám cũng như thành phần hóa học. Bằng cách đo cường độ ánh sáng phản xạ tại mỗi điểm, thông tin về phân bố thành phần hóa học bề mặt, phân bố pha và nhiều hơn nữa có thể thu được. Và quan trọng hơn, thông qua quét trục Z và tái tạo ba chiều, dữ liệu hình dạng ba chiều về độ chính xác nano của bề mặt mẫu có thể được lấy.

II. Ứng dụng cốt lõi: phương tiện phân tích vật liệu truyền thống khác nhau

1. Phân tích hình dạng bề mặt 3D và độ nhám

Đây là ứng dụng trực tiếp, rộng rãi của kính hiển vi co-focus trong khoa học vật liệu. Máy đo đường viền tiếp xúc truyền thống có thể làm xước mẫu mềm, trong khi kính hiển vi lực nguyên tử có phạm vi quét hạn chế. Kính hiển vi co-focus lấp đầy khoảng trống giữa hai - nó cho phép cả đo không tiếp xúc, không phá hủy và độ phân giải dọc ở cấp độ nano trong trường nhìn lớn.

Ví dụ ứng dụng: Trong lĩnh vực gia công cơ khí, nó được sử dụng để đánh giá chính xác độ nhám bề mặt, độ gợn sóng của công cụ cắt, vòng bi, bánh răng và các bộ phận quan trọng khác, để phân tích hiệu quả của quá trình mài, đánh bóng, mài và các quy trình khác. Trong lĩnh vực phủ, bạn có thể định lượng độ phẳng của bề mặt phủ, hiệu ứng vỏ cam, v.v., liên quan đến mối quan hệ của nó với sự xuất hiện, khả năng chống ăn mòn. Nó có thể cung cấp hàng chục thông số độ nhám ba chiều bao gồm độ nhám trung bình số học, độ nhám gốc đồng đều, giá trị đỉnh và thung lũng, vượt xa phân tích đường viền hai chiều.

2. Phân tích cấu trúc màng và nhiều lớp

Vật liệu chức năng hiện đại thường sử dụng cấu trúc màng nhiều lớp, chẳng hạn như chip bán dẫn, màng quang học, pin quang điện, bảng hiển thị, v.v. Khả năng "cắt lát quang học" của nó cho phép nó thực hiện phân tích mặt cắt của cấu trúc trong suốt hoặc nhiều lớp mà không cần cắt vật lý.

Ví dụ ứng dụng: Trong nghiên cứu và phát triển màn hình OLED, tính đồng nhất độ dày, sự thiếu hụt hoặc ô nhiễm của từng lớp chức năng hữu cơ có thể được phát hiện mà không bị phá hủy. Trong mạch tích hợp, bạn có thể quan sát hình dạng 3 chiều của lớp điện môi, lớp keo quang khắc. Với thuốc nhuộm huỳnh quang cụ thể, thậm chí có thể đánh dấu và quan sát sự phân bố và giao diện của các pha khác nhau trong vật liệu composite.

3. Phân tích bề mặt vỡ và thất bại

Hình dạng vết nứt của vật liệu sau khi gãy chứa thông tin phong phú về cơ chế gãy xương (ví dụ: đứt gãy dẻo dai, đứt gãy giòn, đứt gãy mệt mỏi). Khả năng tái tạo ba chiều của kính hiển vi co-focus cho phép đo chính xác khoảng cách phát sáng mệt mỏi, kích thước ổ cắm và độ sâu trên vết nứt, do đó đẩy lùi tốc độ mở rộng vết nứt và điều kiện căng thẳng.

Ví dụ ứng dụng: Phân tích một cánh động cơ hàng không bị gãy trong quá trình phục vụ. Thông qua hình ảnh ba chiều, đặc điểm hình dạng của vùng nguồn, vùng mở rộng và vùng thoáng qua có thể được phân chia rõ ràng, độ sâu và góc của nguồn nứt có thể được đo chính xác, cung cấp bằng chứng trực quan cho việc xác định nguyên nhân tai nạn và cải tiến cấu trúc. Lợi thế về độ sâu của cảnh quan khiến cho ngay cả những vết cắt rất gồ ghề cũng có thể đạt được hình ảnh rõ ràng tổng thể.

4. Nghiên cứu mài mòn, ăn mòn và quá trình

Kính hiển vi tập trung chung là vũ khí sắc bén để tiến hành nghiên cứu quá trình động. Bằng cách quét chuỗi thời gian của cùng một khu vực, sự tiến hóa của bề mặt vật liệu có thể được theo dõi định lượng.

Ví dụ ứng dụng:

Kiểm tra mài mòn: Trong nghiên cứu ma sát, bề mặt của các cặp ma sát có thể được quét định kỳ để định lượng chính xác sự mất mát về chiều rộng, chiều sâu và khối lượng của vết mài, theo dõi quá trình mài mòn trong thời gian thực.

Nghiên cứu ăn mòn: Quan sát các vật liệu kim loại trong môi trường ăn mòn, quá trình nảy mầm, tăng trưởng và hợp nhất của hố rỗ. Với các phép đo ba chiều, tốc độ ăn mòn và phân bố sâu của hố có thể được tính toán, đánh giá tính chống ăn mòn của vật liệu.

Nghiên cứu chuyển pha: Đối với một số vật liệu có thể thay đổi pha dưới sự thay đổi nhiệt độ, kính hiển vi co-focus có thể được sử dụng để quan sát sự hình thành và thay đổi hiệu ứng lồi nổi trên bề mặt của chúng và nghiên cứu các quá trình động học của sự thay đổi pha.

5. Đo lường kích thước và kỹ thuật đảo ngược

Trong lĩnh vực sản xuất chính xác, kính hiển vi co-focus đóng vai trò của máy đo tọa độ ba chiều chính xác cao. Nó có thể nhanh chóng lấy dữ liệu đám mây điểm ba chiều đầy đủ cho các bộ phận vi mô phức tạp như thiết bị MEMS, khuôn phun vi mô, thiết bị y tế.

Ví dụ ứng dụng: Được sử dụng để đo chiều dài răng, chiều cao răng của microgear, khẩu độ và độ sâu của mảng micropore, đảm bảo nó phù hợp với dung sai thiết kế. Trong kỹ thuật đảo ngược, một mẫu hiện có có thể được quét không phá hủy để có được mô hình ba chiều chính xác của nó để sao chép, cải thiện hoặc lưu trữ kỹ thuật số.

Lợi thế so sánh với các công nghệ khác

So với kính hiển vi điện tử quét: SEM cung cấp độ phân giải cao hơn và độ sâu trường ảnh lớn hơn, nhưng thường yêu cầu môi trường chân không và lớp mạ dẫn điện, gây khó khăn cho việc phân tích các vật liệu sinh học/polymer có chứa dầu, nước hoặc mềm. Kính hiển vi co-focus có yêu cầu rất thấp đối với việc chuẩn bị mẫu, không cần chân không, có thể xử lý các mẫu lớn hơn, dày hơn và cung cấp dữ liệu hình dạng ba chiều chính xác, trong khi việc tái tạo ba chiều của SEM phức tạp hơn và không trực tiếp.

Kính hiển vi lực nguyên tử: AFM có độ phân giải cấp nguyên tử, nhưng phạm vi quét của nó rất nhỏ (thường là vài chục micron), quét chậm và đầu dò có nguy cơ hao mòn và làm hỏng mẫu mềm. Kính hiển vi tập trung chung chiếm ưu thế rõ rệt về tốc độ, đo lường trường nhìn lớn và tính không tổn hại.