Пикосекундный ультразвук — это тип ультразвука , в котором используется ультразвук сверхвысокой частоты, генерируемый сверхкороткими световыми импульсами. Это неразрушающий метод, при котором пикосекундные акустические импульсы проникают в тонкие пленки или наноструктуры , чтобы выявить внутренние особенности, такие как толщина пленки, а также трещины , расслоения и пустоты. Его также можно использовать для исследования жидкостей . Этот метод также называют пикосекундным лазерным ультразвуком или лазерной пикосекундной акустикой .
Когда ультракороткий световой импульс , известный как импульс накачки , фокусируется на тонкой непрозрачной пленке на подложке, оптическое поглощение приводит к тепловому расширению , которое запускает импульс упругой деформации . Этот импульс деформации в основном состоит из продольных акустических фононов , которые распространяются непосредственно в пленку в виде когерентного импульса.
После акустического отражения от границы раздела пленка-подложка импульс деформации возвращается на поверхность пленки, где его можно обнаружить с помощью задержанного оптического зондирующего импульса по изменениям оптического отражения или (для достаточно тонких пленок) пропускания. Этот метод с временным разрешением для генерации и фотоупругого обнаружения когерентных пикосекундных акустических фононных импульсов был предложен Кристианом Томсеном и его коллегами в сотрудничестве между Университетом Брауна и Bell Laboratories в 1984 году. [1]
Первоначальное развитие имело место в группе Хамфри Мариса в Университете Брауна и других местах в конце 1980-х годов. [2] [3] В начале 1990-х годов область применения метода была расширена в Nippon Steel Corp. за счет прямого измерения пикосекундных вибраций поверхности пленки, вызванных возвращающимися импульсами деформации, что во многих случаях привело к улучшению чувствительности обнаружения. [4] Достижения после 2000 года включают генерацию пикосекундных акустических солитонов с использованием миллиметровых расстояний распространения [5] и генерацию пикосекундных поперечных волн с использованием анизотропных материалов [6] или небольших (~ 1 мкм) оптических пятен. размеры. [7] Сообщалось об акустических частотах до терагерцового диапазона в твердых телах [8] [9] и до ~ 10 ГГц в жидкостях [10] .
Помимо теплового расширения, возможна генерация за счет деформационного потенциала или пьезоэлектричества . Пикосекундный ультразвук в настоящее время используется в качестве метода метрологии тонких пленок для зондирования пленок субмикронной толщины с глубинным нанометровым разрешением, что находит широкое применение в промышленности по обработке полупроводников . Пикосекундный ультразвук также применяется для измерения скорости звука внутри наноматериалов или для изучения физики фононов.
Поглощение падающего импульса оптической накачки создает локальное тепловое напряжение вблизи поверхности образца. Это напряжение вызывает импульс упругой деформации, который распространяется в образец. Точная глубина возникновения напряжения зависит, в частности, от используемого материала и длины волны оптической накачки. Например, в металлах и полупроводниках термическая диффузия и диффузия носителей за сверхкороткое время имеют тенденцию увеличивать глубину, которая первоначально нагревается в течение первых ~ 1 пс. [2] [11] [12] [13]
Акустические импульсы генерируются с временной длительностью, примерно равной времени прохождения звука через эту первоначально нагретую глубину, обычно превышающую глубину оптического поглощения . Например, глубина оптического поглощения в Al и GaAs составляет ~10 нм для синего света, а глубина диффузии электронов ~50 и 100 нм соответственно. Глубина диффузии определяет пространственную протяженность импульса деформации в направлении по толщине.
Основным механизмом генерации металлов является тепловое расширение, тогда как для полупроводников зачастую механизм потенциальной деформации. В пьезоэлектриках может доминировать обратный пьезоэлектрический эффект, возникающий в результате создания внутренних электрических полей , вызванных разделением зарядов .
Когда диаметр оптического пятна D , например D ~ 10 мкм, на поверхности упруго- изотропного и плоского образца много больше глубины первоначального прогрева, можно аппроксимировать акустическое поле, распространяющееся в твердое тело, одномерной задачей при условии, что нельзя работать со слишком большой глубиной распространения деформации (~ D² /Λ = длина Рэлея , где Λ — длина волны звука). В этой конфигурации, первоначально предложенной для пикосекундного ультразвука, необходимо учитывать только импульсы продольной акустической деформации. Импульс деформации образует область продольной деформации, напоминающую блин, которая распространяется непосредственно в твердое тело от поверхности.
Для небольших размеров пятна, приближающихся к пределу оптической дифракции , например D ~ 1 мкм, может возникнуть необходимость учитывать трехмерный характер проблемы. В этом случае важную роль играют акустическое преобразование мод на поверхностях и границах раздела, а также акустическая дифракция [14] , приводящая к вовлечению как сдвиговой, так и продольной поляризации. Импульс деформации разделяется на различные компоненты поляризации и распространяется в поперечном направлении (на расстояния > D² /Λ) по мере распространения вниз в образец, что приводит к более сложному трехмерному распределению деформации.
Использование как поперечных, так и продольных импульсов выгодно для измерения упругих констант или скорости звука . Сдвиговые волны также могут быть созданы за счет использования упруго-анизотропных твердых тел, разрезанных под косыми углами к осям кристалла . Это позволяет генерировать поперечные или квазипоперечные волны с большой амплитудой в направлении по толщине.
Также возможно генерировать импульсы деформации, форма которых не меняется при распространении. Эти так называемые акустические солитоны были продемонстрированы при низких температурах на расстояниях распространения в несколько миллиметров. [5] Они являются результатом тонкого баланса между акустической дисперсией и нелинейными эффектами.
Импульсы деформации, возвращающиеся на поверхность из заглубленных границ раздела или других подповерхностных акустически неоднородных областей, обнаруживаются как серия эхо-сигналов. Например, импульсы деформации, распространяющиеся вперед и назад через тонкую пленку, создают серию затухающих эхо-сигналов, из которых можно определить, в частности, толщину пленки, затухание ультразвука или дисперсию ультразвука.
Оригинальный механизм обнаружения, используемый в пикосекундном ультразвуке, основан на фотоупругом эффекте. Показатель преломления и коэффициент экстинкции вблизи поверхности твердого тела нарушаются возвращающимися импульсами деформации (в пределах глубины оптического поглощения зондирующего света), что приводит к изменениям оптического отражения или пропускания. Измеренная форма временного эха является результатом пространственного интеграла, включающего как профиль оптического поглощения зондирующего света, так и пространственный профиль импульса деформации (см. ниже).
Обнаружение смещения поверхности также возможно, если регистрируется изменение оптической фазы. В этом случае форма эха, измеренная по изменению оптической фазы, пропорциональна пространственному интегралу распределения деформации (см. ниже). Обнаружение смещения поверхности было продемонстрировано с помощью сверхбыстрого отклонения оптического луча и с помощью интерферометрии . [15] [16]
Для однородного изотропного образца в вакууме с нормальным оптическим падением модуляция оптического амплитудного коэффициента отражения ( r ) может быть выражена как [2] [17]
где ( n показатель преломления и κ коэффициент экстинкции) — комплексный показатель преломления зондирующего света в образце, k — волновое число зондирующего света в вакууме, η ( z , t ) — пространственно-временное изменение продольной деформации, — фотоупругая константа, z — глубина образца, t — время, u — смещение поверхности образца (в направлении + z ):
Чтобы получить изменение оптической отражательной способности для интенсивности R , используют , тогда как для получения изменения оптической фазы используют .
Теория оптического обнаружения в многослойных образцах, включающая как движение границы раздела, так и фотоупругий эффект, в настоящее время хорошо развита. [16] [18] Было показано, что контроль состояния поляризации и угла падения зондирующего света полезен для обнаружения поперечных акустических волн. [6] [19]
Пикосекундный ультразвук успешно применяется для анализа различных материалов, как твердых, так и жидких. Его все чаще применяют к наноструктурам, включая субмикрометровые пленки, мультислои, квантовые ямы , полупроводниковые гетероструктуры и нанополости. Его также применяют для исследования механических свойств отдельной биологической клетки. [20] [21]