Evanescent Field Gebaseerd Fotoakoestiek: Optical Property Evaluatie aan oppervlakken

Vooruitgang in het begrijpen van optische materialen ^{1,3,4,6,7,10,13-16} nieuwe inzichten verschaft in de creatie van dunne filmmaterialen voor tal van optische inrichtingen, inclusief antireflectiedeklagen over lenzen, optische hoge extinctieverhouding filters, en zeer absorberende plaat golfgeleiders ^17. Deze ontwikkelingen zouden niet mogelijk zijn zonder het gebruik van veel karakterisatietechnieken, zoals ellipsometrie ^4,6,18, Contacthoekmeting, atomic force microscopie ^7,11,19 en scanning / transmissie elektronenmicroscopie, die helpen bij de iteratieve verbetering van deze technologieën door directe maatregelen of indirecte schattingen van de fundamentele optische eigenschappen van het materiaal. Genoemde eigenschappen, zoals de brekingsindex, bepalen hoe de stoffen interageren met invallende fotonen, die de functie en het gebruik in optische toepassingen direct beïnvloedt. Echter, elk van deze technieken heeft beperkingen betreffende resolutiestie, monstervoorbereiding, kosten en complexiteit, en elk genereert alleen een subset van de data nodig voor het volledig karakteriseren van het materiaal. Dat gezegd zijnde, een nieuwe reeks technieken, bekend als evanescent veld-gebaseerde Fotoakoestiek (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} zoals getoond in figuur 1, heeft het potentieel om materiaaleigenschappen te schatten op nanoschaal in een geconsolideerde aantal experimenten. EFPA omvat de sub-technieken van de totale interne reflectie fotoakoestische spectroscopie (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} fotoakoestische spectroscopie / totale interne reflectie fotoakoestische spectroscopie refractometer (PAS / TIRPAS refractiemethode) ^18, en optische tunneling fotoakoestische spectroscopie (OTPAS) ^6, en is gebruikt om bulk en dunne film brekingsindex laagdiktes schatten, evenals absorberende materialen op een prisma / sample of substraat / monsterscheidingsvlak detecteren.

Om het mechanisme EFPA begrijpen,moet eerst begrijpen het begrip fotoakoestische spectroscopie (PAS), dat betrekking heeft op de generatie van ultrasone drukgolven door de snelle thermo-elastische uitzetting van een chromofoor na de absorptie van een ultrakorte (<psec) lichtpuls (figuur 1). Theoretische en wiskundige kader voor de fotoakoestische effect besproken in dit document kan hier ^50-59 worden verkregen. De resulterende drukverandering kan worden gedetecteerd door een ultrasone transducer of microfoon. De fotoakoestische effect, oorspronkelijk ontdekt in 1880 met de uitvinding van photophone Alexander Graham Bell, werd 'herontdekt' in de vroege jaren 1970 als gevolg van ontwikkelingen in de laser en microfoon technologie, en uiteindelijk in praktisch gebruik te maken aan niche-toepassingen van biomedische beeldvorming naar dunne film te vullen analyse om niet-destructief testen van materialen. ^{1,53-57,59-82} Dit effect kan mathematisch worden beschreven met één-dimensionale golfvergelijkingen, waarbij the golf is een eenvoudige akoestische bron waarvan de druk (p) varieert in beide posities (x) en tijd (t):

oplossingen voor eenvoudige akoestische bronnen van de vorm ⁶⁴

waarbij p druk Γ = av _s ² / _Cp waarbij α = het volume thermische uitzettingscoëfficiënt, v _s de geluidssnelheid in het medium, en _Cp de warmtecapaciteit bij constante druk, H ₀ is de bestralingsdosis van de laserbundel, c de geluidssnelheid in het medium opgewonden, x lengte, en t de tijd. De grootte van de resulterende akoestische golf steunt direct op de optische absorptiecoëfficiënt van het materiaal, _een p, which is de inverse van de optische indringdiepte δ, die op zijn beurt een maat voor de afstand die het licht reist totdat weggestorven 1 / e van de oorspronkelijke optische intensiteit. Terwijl Vergelijking (1) een algemene vergelijking voor een eendimensionale vlakke golf bron, zal typisch een absorberende bolvormige akoestische golven in drie dimensies uitstoten. Voorbij de mathematische beschrijving, toepassingen van de fotoakoestische effect ⁵⁴ omvat een groot beeldvormingsmodaliteiten zoals microscopie, tomografie, en zelfs moleculaire beeldvorming vanwege de fotoakoestische effect met een hoge gevoeligheid door het grote optische absorptie als gevolg van nature aanwezige chromofoor hemoglobine. Andere toepassingen van de fotoakoestische effect hebben zelfs de schatting van verschillende dunne film eigenschappen ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} Echter, PAS heeft bepaalde beperkingen: (1) een omvangrijke optische indringdiepte elimineert de mogelijkheid near-field optische eigenschappen sonde aan oppervlakken (2) iss doelmatigheid van het vangen van de uitgezonden akoestische energie is laag door richtingscoëfficiënt van de meerderheid van de energie vanaf de detector (3) monsters chromoforen bij een golflengte regime beschouwde omvatten.

In combinatie met oneindig kleine veld-gebaseerde technieken zijn echter veel van deze beperkingen kunnen worden verbeterd. Het verdwijnende veld wanneer een lichtstraal ondergaat totale interne reflectie (TIR), zoals beschreven door Snell's Law, welk effect ook mogelijk vezeloptische golfgeleiders licht grote afstand (km) voor berekening en telecommunicatietoepassingen begeleiden. In praktische toepassingen, is het verdwijnende veld gebruikt in een verscheidenheid van karakterisatie en beeldvorming technieken, waaronder verzwakte totale reflectie spectroscopie (ATR). Beeldvorming wordt bereikt met hoog contrast als gevolg van de opsluiting van het licht binnen de eerste paar honderd nanometer in het monster van belang. De verdwijnende veld heeft de vorm van een exponentially decaying gebied dat zich uitstrekt in de externe medium een ​​optische penetratiediepte die typisch in de orde van de golflengte wordt gebruikt (meestal ~ 500 nm of minder) zoals getoond in de vergelijkingen 3 en 4.

waarbij I de lichtintensiteit% op een locatie z van het prisma / monsterscheidingsvlak, I ₀ is de oorspronkelijke intensiteit licht in% aan het grensvlak, z afstand nanometer en δ _p de optische indringdiepte Volgens vergelijking 4. met een dergelijke kleine optische indringdiepte het verdwijnende veld kan samenwerken met de omgeving zeer dicht bij het grensvlak van de twee materialen, en duidelijk onder de optische en akoestische diffractie grenzen. De optische eigenschappen van materialen of deeltjes in dit bereik kan het veld verstoren of wijziging in de generatie, die interactie met een verscheidenheid aan werkwijzen ³ kan worden ^{gedetecteerd,}5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Wanneer verdwijnende technieken worden gecombineerd met PAS, kunnen de foto-akoestische golfvormen geproduceerd worden gebruikt om materialen of deeltjes interactie met het verdwijnende veld te karakteriseren, waardoor het oneindig kleine veld-gebaseerde Fotoakoestiek (EFPA) groep technieken, zoals weergegeven in figuur 1. Deze familie omvat, maar niet beperkt tot, totale interne reflectie fotoakoestische spectroscopie (TIRPAS), optische tunnel fotoakoestische spectroscopie (OTPAS) en oppervlakte plasmon resonantie fotoakoestische spectroscopie (SPRPAS). De geïnteresseerde lezer moet verwijzen naar de volgende referenties voor afleidingen van de vergelijkingen gebruikt voor TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS refractometrie ¹⁸ en OTPAS ^6. In elk geval wordt het effect fotoakoestische gegenereerd door een ander aandrijfmechanisme dan eenvoudige doorlating door een prisma; bijvoorbeeld in TIRPAS, het licht is evanescentlygekoppeld door een prisma / substraat / sample interface in de chromoforen (die de sample materiaal zelf, of gast moleculen in het monster kunnen zijn), terwijl in SPRPAS, de primaire wijze van excitatie is in plaats daarvan door de absorptie van een surface plasmon, dat is een secundaire EM golf gemaakt wanneer de energie van het verdwijnende veld wordt overgebracht in de elektronenwolk van een metaallaag afgezet op het prisma oppervlak. Deze familie van technieken werd oorspronkelijk uitgevonden in de vroege jaren 1980 door Hinoue et al., En op door T. Inagaki et al verbeterd. Met de uitvinding van SPRPAS, maar zag heel weinig ontwikkeling als gevolg van technische beperkingen van de lichtbronnen en de beschikbare detectie-apparatuur . Recenter hebben eerdere onderzoeken aangetoond dat verhoogde gevoeligheid en utility mogelijk moderne polyvinylideenfluoride (PVDF) ultrasone detectors en Q-geschakelde neodymium gedoopte yttrium-aluminium-granaat (Nd: YAG) lasers. Specifiek nanoseconde gepulseerde Nd: YAGlasers resulteren in een 10 ^6-voudige verhoging van het piekvermogen dat EFPA technieken toelaat om nuttige instrumenten geworden voor het evalueren van de optische eigenschappen van verschillende materialen en interfaces ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} Daarnaast is eerder werk verder getoond het vermogen van dergelijke technieken om structurele informatie over materialen tot een interface, die worden bereikt met traditionele fotoakoestische spectroscopie (PAS) technologieën voorheen nooit bepalen vanwege de relatief grote indringdiepte ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

Deze mogelijkheid wordt in de protocollen die volgen onder OTPAS techniek; echter op een fundamenteel niveau de drie technieken elk steunen op een andere definitieve vergelijking, die de mogelijkheden van de techniek bepaalt. Bijvoorbeeld, in TIRPAS de optische penetratiediepte van het verdwijnende veld, δ _'p, vooral drijft de resulterende akoestischesignaalintensiteit een absorberende monster, en wordt beschreven door:

waarbij λ ₁ is de golflengte van licht dat door het prisma medium en wordt gedefinieerd met de vergelijking λ λ = ₁ / n ₁ waarin n ₁ is de brekingsindex van het prisma materiaal. Bovendien, θ verwijst naar de hoek van excitatie en n ₂₁ verwijst naar de verhouding van de brekingsindices van elk medium en wordt gedefinieerd door n = ₂₁ n ₂ / n _1, waarbij _n2 de brekingsindex van het monstermateriaal. Hoe groter de optische penetratiediepte, hoe meer materiaal wordt bestraald. Voor de fotoakoestische effect, hoe groter de optische indringdiepte, hoe meer materiaal wordt geëxciteerd dat akoestische golven leiden tot een grotere akoestische signaal kan produceren.

waarbij n ₁ is de brekingsindex van het prisma, θ ₁ is de invalshoek op het prisma / monsterscheidingsvlak, _n2 de brekingsindex van het monster en θ ₂ is de hoek van het licht dat is gebroken door de tweede medium. De gevoeligheid van het schatten van de brekingsindex van een materiaal wordt voornamelijk gedreven door de nauwkeurigheid van de schatting van θ _1. totale interne reflectie die wordt bereikt wanneer θ ₁ is boven de kritische hoek die een verdwijnende veld genereert, sin θ ₂ = 1 en daarom vergelijking 5 reduceert tot n ₂ = n ₁ sinθ _1. (Let op: θ ₁ =θ _kritische) kennen van de hoek waaronder de numerieke afgeleide (dP / dθ waarbij P het piek tot piek spanning van de fotoakoestische signaal en θ is de invalshoek van het licht met het monster) van het fotoakoestische signaal een lokale minima toelaat voor de schatting van θ ₁ waarmee de gebruiker die opgelost n ₂ en daarmee schat de grootste brekingsindex van een monster zoals weergegeven in figuur 1.

Ten slotte OTPAS, de volgende vergelijking betrekking optische transmissie% tot fotoakoestische piek-piek spanning van:

waarbij T het percentage optische transmissie, p is de piek-tot-piek spanning die door het hoekspectrum van een substraat met een film erop, p ₀ is de piek-tot-piek spanning die door het hoekspectrum ofa substraat β is de koppelingsconstante basis van de brekingsindex van prisma en de immersie olie, α is de dempingsfactor, en is een factor die dikte en de brekingsindex van het filmmonster in het verdwijnende veld omvat. De gevoeligheid van deze techniek op dikte en brekingsindex wordt bepaald door de nauwkeurigheid van schatten van de piek akoestische signaal intensiteiten, p en p ₀ pieken op elke hoek van inval in het hoekspectrum. Het is aangetoond dat β rechtstreeks worden berekend op basis van de brekingsindex van het prisma en immersie olie; derhalve is een eenvoudige taak om de optische transmissie bij elk invalshoek berekenen en pak vervolgens een schatting van de brekingsindex en dikte van de film door middel van statistische analyse curve fitting. De geïnteresseerde lezer moet verwijzen naar Goldschmidt et al. Voor meer informatie. ^5,6

THij EFPA systeem is een systeem fotoakoestische kan het schatten van de dikte, dunne film brekingsindex bulk brekingsindex, en het genereren van akoestische signalen door optische absorptie voor detectie. Het systeem omvat een laser, een optische trein naar de lichtgeleider om de prisma / monster en de laserenergie meting zijde. De laser energiemeting zijde wordt gebruikt om de fotoakoestische signaal naar de invallende laserenergie normaliseren zie figuur 2. Het EFPA wordt aangedreven door een stappenmotor bestuurder de prisma roteren / monster voor de hoekige spectra PAS / TIRPAS refractometrie en OTPAS . Het systeem verkrijgt gegevens via een digitale acquisitie kaart en biedt een gebruiksvriendelijke interface en geautomatiseerde stadium controle door middel van een in-house programma.