Picosegundos ultrasonidos es un tipo de ultrasonidos que utiliza ultrasonido ultra-alta frecuencia generada por ultracortos pulsos de luz. Es una técnica no destructiva en la que pulsos acústicos de picosegundos penetran en películas delgadas o nanoestructuras para revelar características internas como el espesor de la película, así como grietas , delaminaciones y huecos. También se puede utilizar para sondear líquidos . La técnica también se conoce como ultrasonidos láser de picosegundos o acústica láser de picosegundos .
Introducción
Cuando un pulso de luz ultracorto , conocido como pulso de bombeo , se enfoca sobre una película delgada y opaca sobre un sustrato, la absorción óptica da como resultado una expansión térmica que lanza un pulso de tensión elástica . Este pulso de deformación consiste principalmente en fonones acústicos longitudinales que se propagan directamente en la película como un pulso coherente .
Después de la reflexión acústica de la interfaz película-sustrato, el pulso de deformación regresa a la superficie de la película, donde puede ser detectado por un pulso de sonda óptica retardado a través de reflectancia óptica o (para películas que son lo suficientemente delgadas) cambios de transmitancia. Este método de resolución temporal para la generación y detección fotoelástica de pulsos de fonones acústicos coherentes de picosegundos fue propuesto por Christian Thomsen y sus colaboradores en una colaboración entre Brown University y Bell Laboratories en 1984. [1]
El desarrollo inicial tuvo lugar en el grupo de Humphrey Maris en la Universidad de Brown y en otros lugares a fines de la década de 1980. [2] [3] A principios de la década de 1990, el método se amplió en alcance en Nippon Steel Corp. mediante la detección directa de las vibraciones superficiales de picosegundos de la película causadas por los pulsos de tensión de retorno, lo que resultó en una mejor sensibilidad de detección en muchos casos. [4] Los avances posteriores al año 2000 incluyen la generación de solitones acústicos de picosegundos mediante el uso de distancias de propagación milimétricas [5] y la generación de ondas de corte de picosegundos mediante el uso de materiales anisotrópicos [6] o puntos ópticos pequeños (~ 1 μm). Tamaños. [7] Se han informado frecuencias acústicas de hasta el rango de terahercios en sólidos [8] [9] y de hasta ~ 10 GHz en líquidos [10] .
Además de la expansión térmica, es posible la generación a través del potencial de deformación o mediante piezoelectricidad . Los ultrasonidos de picosegundos se utilizan actualmente como una técnica de metrología de película delgada para sondear películas de espesores submicrométricos con resolución nanométrica en profundidad, que se usa ampliamente en la industria de procesamiento de semiconductores .
Generación y detección
Generacion
La absorción de un pulso de bomba óptica incidente genera una tensión térmica local cerca de la superficie de la muestra. Esta tensión lanza un pulso de deformación elástica que se propaga a la muestra. La profundidad exacta para la generación de tensión depende, en particular, del material involucrado y de la longitud de onda de la bomba óptica. En metales y semiconductores, por ejemplo, la difusión térmica y del portador de escala de tiempo ultracorta tiende a aumentar la profundidad que se calienta inicialmente dentro de los primeros ~ 1 ps. [2] [11] [12] [13]
Los pulsos acústicos se generan con una duración temporal aproximadamente igual al tiempo de tránsito acústico a través de esta profundidad inicialmente calentada, en general mayor que la profundidad de absorción óptica . Por ejemplo, las profundidades de absorción óptica en Al y GaAs son ~ 10 nm para la luz azul, pero las profundidades de difusión de electrones son ~ 50 y 100 nm, respectivamente. La profundidad de difusión determina la extensión espacial del pulso de deformación en la dirección del espesor total.
El principal mecanismo de generación de los metales es la expansión térmica, mientras que para los semiconductores suele ser el mecanismo de potencial de deformación. En los materiales piezoeléctricos puede dominar el efecto piezoeléctrico inverso, que surge de la producción de campos eléctricos internos inducidos por la separación de cargas .
Cuando el diámetro del punto óptico D , por ejemplo D ~ 10 µm, en la superficie de una muestra elásticamente isótropa y plana es mucho mayor que la profundidad inicialmente calentada, se puede aproximar el campo acústico que se propaga hacia el sólido mediante un problema unidimensional, siempre que no se trabaje con profundidades de propagación de deformaciones demasiado grandes (~ D ² / Λ = longitud de Rayleigh , donde Λ es la longitud de onda acústica). En esta configuración, la propuesta originalmente para ultrasonidos de picosegundos, solo se deben considerar los pulsos de deformación acústica longitudinales. El pulso de deformación forma una región similar a un panqueque de deformación longitudinal que se propaga directamente hacia el sólido lejos de la superficie.
Para tamaños de puntos pequeños que se acercan al límite de difracción óptica , por ejemplo D ~ 1 µm, puede ser necesario considerar la naturaleza tridimensional del problema. En este caso, la conversión de modo acústico en superficies e interfaces y la difracción acústica [14] juegan un papel importante, lo que resulta en la participación de polarizaciones tanto de corte como longitudinal. El pulso de deformación se separa en diferentes componentes de polarización y se extiende lateralmente (para distancias> D ² / Λ) a medida que se propaga hacia abajo en la muestra, lo que resulta en una distribución de deformación tridimensional más complicada.
El uso de pulsos tanto de cizallamiento como longitudinales es ventajoso para medir constantes elásticas o velocidades del sonido . También se pueden generar ondas de corte mediante el uso de sólidos elásticamente anisotrópicos cortados en ángulos oblicuos con respecto a los ejes del cristal . Esto permite que se generen ondas cortantes o cuasi cortantes con una gran amplitud en la dirección a través del espesor.
También es posible generar pulsos de deformación cuya forma no varía con la propagación. Estos llamados solitones acústicos se han demostrado a bajas temperaturas en distancias de propagación de unos pocos milímetros. [5] Son el resultado de un delicado equilibrio entre la dispersión acústica y los efectos no lineales .
Detección
Los pulsos de deformación que regresan a la superficie desde interfaces enterradas u otras regiones subterráneas acústicamente no homogéneas se detectan como una serie de ecos. Por ejemplo, los pulsos de deformación que se propagan hacia adelante y hacia atrás a través de una película delgada producen una serie de ecos en decadencia, de los que se puede derivar, en particular, el espesor de la película, la atenuación ultrasónica o la dispersión ultrasónica.
El mecanismo de detección original utilizado en ultrasonidos de picosegundos se basa en el efecto fotoelástico. El índice de refracción y el coeficiente de extinción cerca de la superficie del sólido son perturbados por los pulsos de tensión que regresan (dentro de la profundidad de absorción óptica de la luz de la sonda), lo que produce cambios en la reflectancia o transmisión óptica. La forma del eco temporal medida resulta de una integral espacial que involucra tanto el perfil de absorción óptica de la luz de la sonda como el perfil espacial del pulso de deformación (ver más abajo).
La detección que implica el desplazamiento de la superficie también es posible si se registra la variación de la fase óptica. En este caso, la forma del eco cuando se mide a través de la variación de fase óptica es proporcional a una integral espacial de la distribución de deformación (ver más abajo). Se ha demostrado la detección de desplazamiento de superficie con deflexión ultrarrápida del haz óptico y con interferometría . [15] [16]
Para una muestra isotrópica homogénea en vacío con incidencia óptica normal, la modulación de reflectancia ( r ) de amplitud óptica se puede expresar como [2] [17]
dónde ( n el índice de refracción y κ el coeficiente de extinción) es el índice de refracción complejo para la luz de la sonda en la muestra, k es el número de onda de la luz de la sonda en el vacío, η ( z , t ) es la variación de deformación longitudinal espacio-temporal,es la constante fotoelástica, z es la profundidad en la muestra, t es el tiempo yu es el desplazamiento de la superficie de la muestra (en la dirección + z ):
Para obtener la variación en la reflectividad óptica para la intensidad R se usa, mientras que para obtener la variación de la fase óptica se utiliza .
La teoría de la detección óptica en muestras multicapa, que incluye tanto el movimiento de la interfaz como el efecto fotoelástico, está ahora bien desarrollada. [16] [18] Se ha demostrado que el control del estado de polarización y el ángulo de incidencia de la luz de la sonda es útil para detectar ondas acústicas de corte. [6] [19]
Aplicaciones y desafíos futuros
Los ultrasonidos de picosegundos se han aplicado con éxito para analizar una variedad de materiales, tanto sólidos como líquidos. Se está aplicando cada vez más a nanoestructuras, incluidas películas submicrométricas, multicapas, pozos cuánticos , heteroestructuras de semiconductores y nanocavidades. También se aplica para probar las propiedades mecánicas de una sola célula biológica. [20] [21]
Ver también
- Acústica
- Ultrasonido
- Fonones
- Solitón
- Ondas
- Luz
- Espectroscopia resuelta en el tiempo
- Estrés
- Presion
- Fotoelasticidad
- Anisotropía
Referencias
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