Picosecond ultraljud

Picosecond ultrasonics är en typ av ultraljud som använder ultrahögfrekvent ultraljud som genereras av ultrakorta ljuspulser. Det är en oförstörande teknik där akustiska pikosekundpulser tränger in i tunna filmer eller nanostrukturer för att avslöja inre egenskaper som filmtjocklek samt sprickor , delaminering och tomrum. Den kan också användas för att sondera vätskor . Tekniken kallas också pikosekundlaserultraljud eller laser pikosekundakustik .

Introduktion

Generering och detektering av pikosekundsträckningspulser i en ogenomskinlig tunn film med ultrakorta optiska pulser. I detta exempel anländer den optiska sondpulsen till filmytan samtidigt som den återvändande töjningspulsen. I allmänhet görs mätningar genom att variera ankomsttiden för den optiska sondpulsen. Ytans termiska expansion utelämnas. Till exempel, i fallet med en aluminiumfilm, kommer töjningspulsen att ha en typisk frekvens och bandbredd både ~ 100 GHz, en varaktighet på ~ 10 ps, ​​en våglängd på ~ 100 nm och en töjningsamplitud på ~ 10 −4 när med användning av optiska pulser med varaktighet ~ 100 fs och energi ~ 1 nJ fokuserad till en ~ 50 μm fläck på provytan.

När en ultrakort ljuspuls , känd som pumppulsen , fokuseras på en tunn ogenomskinlig film på ett substrat, resulterar den optiska absorptionen i en termisk expansion som utlöser en elastisk töjningspuls . Denna töjningspuls består huvudsakligen av longitudinella akustiska fononer som fortplantar sig direkt in i filmen som en koherent puls.

Efter akustisk reflektion från film-substratgränssnittet återgår töjningspulsen till filmytan, där den kan detekteras av en fördröjd optisk sondpuls genom optisk reflektans eller (för filmer som är tillräckligt tunna) transmittansförändringar. Denna tidsupplösta metod för generering och fotoelastisk detektering av koherenta pikosekund akustiska fononpulser föreslogs av Christian Thomsen och medarbetare i ett samarbete mellan Brown University och Bell Laboratories 1984.

Den första utvecklingen ägde rum i Humphrey Maris grupp vid Brown University och på andra håll i slutet av 1980-talet. I början av 1990-talet utökades metoden i omfattning vid Nippon Steel Corp. genom att direkt avkänna filmens pikosekunds ytvibrationer orsakade av de återkommande töjningspulserna, vilket resulterade i förbättrad detekteringskänslighet i många fall. Framsteg efter år 2000 inkluderar generering av pikosekund akustiska solitoner genom användning av millimeters utbredningsavstånd och generering av pikosekunders skjuvvågor genom användning av anisotropa material eller små (~1 μm) optiska fläckstorlekar. Akustiska frekvenser upp till terahertz-intervallet i fasta ämnen och upp till ~ 10 GHz i vätskor har rapporterats.

Förutom termisk expansion är generering genom deformationspotentialen eller genom piezoelektricitet möjlig. Picosecond-ultraljud används för närvarande som en tunnfilmsmetrologisk teknik för att sondera filmer med submikrometertjocklekar med nanometerupplösning på djupet, som ser utbredd användning inom halvledarbearbetningsindustrin . Picosecond-ultraljudet har också använts för att mäta den akustiska hastigheten inuti nanomaterial eller för att studera fononfysik.

Generering och upptäckt

Generation

Absorptionen av en infallande optisk pumppuls sätter upp en lokal termisk spänning nära provets yta. Denna spänning startar en elastisk töjningspuls som fortplantar sig in i provet. Det exakta djupet för spänningsgenereringen beror i synnerhet på det inblandade materialet och den optiska pumpens våglängd. I metaller och halvledare, till exempel, tenderar ultrakort tidsskala termisk och bärardiffusion att öka djupet som initialt värms upp inom den första ~1 ps.

Akustiska pulser genereras med en tidsmässig varaktighet som är ungefär lika med den akustiska transittiden över detta initialt uppvärmda djup, i allmänhet större än det optiska absorptionsdjupet . Till exempel är de optiska absorptionsdjupen i Al och GaAs ~10 nm för blått ljus, men elektrondiffusionsdjupen är ~50 respektive 100 nm. Diffusionsdjupet bestämmer den rumsliga utsträckningen av töjningspulsen i genomgående tjockleksriktning.

Huvudgenereringsmekanismen för metaller är termisk expansion, medan det för halvledare ofta är deformationspotentialmekanismen. I piezoelektriska material kan den omvända piezoelektriska effekten, som uppstår från produktionen av interna elektriska fält inducerade av laddningsseparation , dominera.

När den optiska punktdiametern D , till exempel D ~10 µm, vid ytan av ett elastiskt isotropiskt och plant prov är mycket större än det initialt uppvärmda djupet, kan man approximera det akustiska fältet som fortplantar sig in i det fasta ämnet genom ett endimensionellt problem, förutsatt att man inte arbetar med töjningsutbredningsdjup som är för stora (~ D ²/Λ= Rayleigh length , där Λ är den akustiska våglängden). I den här konfigurationen – den som ursprungligen föreslagits för pikosekund ultraljud – behöver endast longitudinella akustiska töjningspulser beaktas. Töjningspulsen bildar ett pannkaksliknande område av längsgående töjning som fortplantar sig direkt in i det fasta materialet bort från ytan.

För små fläckstorlekar som närmar sig den optiska diffraktionsgränsen , till exempel D ~1 µm, kan det vara nödvändigt att överväga problemets tredimensionella karaktär. I detta fall spelar akustisk modomvandling vid ytor och gränssnitt och akustisk diffraktion en viktig roll, vilket resulterar i involvering av både skjuvning och longitudinella polarisationer. Töjningspulsen separeras i olika polarisationskomponenter och sprids ut i sidled (för avstånd > D ²/Λ) när den fortplantar sig ner i provet, vilket resulterar i en mer komplicerad, tredimensionell töjningsfördelning.

Användningen av både skjuvpulser och longitudinella pulser är fördelaktigt för att mäta elastiska konstanter eller ljudhastigheter . Skjuvvågor kan också genereras genom användning av elastiskt anisotropa fasta ämnen som skärs i sned vinkel mot kristallaxlarna . Detta gör att skjuv- eller kvasi-skjuvvågor kan genereras med en stor amplitud i riktningen genomgående tjocklek.

Det är också möjligt att generera töjningspulser vars form inte varierar vid fortplantning. Dessa så kallade akustiska solitoner har visats vid låga temperaturer över utbredningsavstånd på några millimeter. De är resultatet av en delikat balans mellan akustisk spridning och olinjära effekter.

Upptäckt

Töjningspulser som återvänder till ytan från nedgrävda gränssnitt eller andra akustiskt inhomogena områden under ytan detekteras som en serie ekon. Exempelvis producerar töjningspulser som fortplantar sig fram och tillbaka genom en tunn film en avklingande serie av ekon, från vilka man kan härleda i synnerhet filmtjockleken, ultraljudsdämpningen eller ultraljudsdispersionen.

Den ursprungliga detektionsmekanismen som används i picosekund ultraljud är baserad på den fotoelastiska effekten. Brytningsindexet och extinktionskoefficienten nära ytan av det fasta ämnet störs av de återvändande töjningspulserna (inom det optiska absorptionsdjupet för sondljuset), vilket resulterar i förändringar i den optiska reflektansen eller transmissionen . Den uppmätta tidsekoformen är resultatet av en rumslig integral som involverar både sondens ljusoptiska absorptionsprofil och töjningspulsens rumsliga profil (se nedan).

Detektion som involverar ytförskjutningen är också möjlig om den optiska fasens variation registreras. I detta fall är ekoformen när den mäts genom den optiska fasvariationen proportionell mot en rumslig integral av töjningsfördelningen (se nedan). Detektering av ytförskjutning har visats med ultrasnabb optisk strålavböjning och med interferometri .

För ett homogent isotropiskt prov i vakuum med normal optisk incidens kan moduleringen av den optiska amplitudreflektansen ( r ) uttryckas som

där ( n brytningsindexet och κ extinktionskoefficienten) är det komplexa brytningsindexet för sondljuset i provet, k är sondljusets vågnummer i vakuum, η ( z , t ) är den spatiotemporala longitudinella töjningsvariationen, är den fotoelastiska konstanten , z är djupet i provet, t är tiden och u är provets ytförskjutning (i + z -riktningen):

För att erhålla variationen i optisk reflektivitet för intensitet R använder man , medan man för att erhålla variationen i optisk fas använder .

Teorin om optisk detektion i flerskiktsprover, inklusive både gränssnittsrörelse och den fotoelastiska effekten, är nu välutvecklad. Styrningen av polarisationstillståndet och infallsvinkeln för sondljuset har visat sig vara användbar för att detektera akustiska skjuvvågor.

Ansökningar och framtida utmaningar

Picosecond ultraljud har använts framgångsrikt för att analysera en mängd olika material, både fasta och flytande. Det tillämpas alltmer på nanostrukturer, inklusive submikrometerfilmer, flerskikt, kvantbrunnar , halvledarheterostrukturer och nanokaviteter. Det används också för att undersöka de mekaniska egenskaperna hos en enda biologisk cell.

Se även

externa länkar