Evanescent terrain Photoacoustique base: évaluation de la propriété optique au niveau des surfaces

Les progrès dans la compréhension des matériaux optiques ^{1,3,4,6,7,10,13-16} ont fourni de nouvelles connaissances sur la création de matériaux en couche mince pour une foule de dispositifs optiques, y compris les revêtements antireflets sur les lentilles, taux élevé d'extinction optique des filtres et des guides de dalles très absorbant ^17. Ces progrès ne serait pas possible sans l'utilisation de nombreuses techniques de caractérisation, tels que ellipsométrie ^4,6,18, mesure de l' angle de contact, microscopie à force atomique ^7,11,19, et la microscopie électronique à balayage / transmission, qui aident à l'amélioration itérative de ces technologies en fournissant des mesures directes ou indirectes estimations des propriétés fondamentales des matériaux optiques. Ces propriétés, telles que l'indice de réfraction, régissent la façon dont les matériaux interagissent avec les photons incidents, ce qui affecte directement leur fonction et leur utilisation dans des applications optiques. Cependant, chacune de ces techniques a des limites liées à ResolUtion, la préparation des échantillons, le coût et la complexité, et chacun génère un sous-ensemble des données nécessaires pour caractériser complètement le matériau. Cela étant dit, une nouvelle série de techniques, connues sous le nom photoacoustique basé sur le terrain-évanescentes (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} comme le montre la figure 1, a le potentiel pour estimer les propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique dans une base consolidée un ensemble d'expériences. EFPA englobe les sous-techniques de réflexion totale interne spectroscopie photoacoustique (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} spectroscopie photoacoustique / réflexion totale interne spectroscopie photoacoustique réfractométrie (PAS / TIRPAS réfractométrie) ^18, et optique tunnel photoacoustique spectroscopie (OTPAS) ^6, et a été utilisé pour estimer vrac et film mince indice de réfraction, des épaisseurs de film, ainsi que pour détecter des matériaux absorbants à un prisme / échantillon ou de l' interface substrat / échantillon.

Afin de comprendre le mécanisme EFPA, unil faut d' abord comprendre le concept de la spectroscopie photoacoustique (PAS), qui se réfère à la génération d'ondes de pression ultrasonores par l'expansion thermoélastique rapide d'un chromophore, suite à l'absorption d'un ultra-courte (<xs) impulsion de lumière (Figure 1). Cadre théorique et mathématique de l'effet photoacoustique discuté dans le présent document peut être obtenu ici ^50-59. Le changement résultant de la pression peut être détectée par un microphone à ultrasons ou un transducteur. L'effet photoacoustique, découvert à l'origine en 1880 avec l'invention du photophone d'Alexander Graham Bell, a été «redécouverte» au début des années 1970, en raison des progrès dans la technologie laser et de microphone, et finalement mis en pratique pour remplir des applications de niche de l'imagerie biomédicale à film mince analyse pour le contrôle non destructif des matériaux. ^{1,53-57,59-82} Cet effet peut être décrit mathématiquement avec des équations d'ondes à une dimension, dans laquelle ee onde est une source acoustique simple dont la pression (p) varie à la fois la position (x) et le temps (t):

avec des solutions pour les sources acoustiques simples de la forme ⁶⁴

où p est la pression, Γ = av _s ² / C _p dans laquelle α est le coefficient de dilatation thermique du volume, v _s est la vitesse du son dans le milieu, et C _p est la capacité calorifique à pression constante, H ₀ est l'exposition rayonnante du faisceau laser, c est la vitesse du son dans le milieu excité, x est la longueur, t est le temps. L'amplitude de l'onde acoustique résultante repose directement sur ​​le coefficient d'absorption optique du matériau, _un u, wUEL est l'inverse de la profondeur de pénétration optique, δ, qui est à son tour une mesure de la distance la lumière se déplace jusqu'à ce qu'elle se désintègre à 1 / e de son intensité optique initiale. Alors que l'équation (1) est une équation générale pour une source d'onde d'un plan bidimensionnel, absorbeurs typiques vont émettre une onde acoustique sphérique en trois dimensions. Au – delà de la description mathématique, les applications des photoacoustique effet ⁵⁴ portée de nombreuses modalités d'imagerie telles que la microscopie, la tomographie, et même l' imagerie moléculaire en raison de l'effet photoacoustique ayant une sensibilité élevée en raison de la grande absorption optique en raison de la présente naturellement chromophore hémoglobine. D' autres applications de l'effet photoacoustique incluent même l'estimation des diverses propriétés de couches minces ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} Cependant, PAS comporte certaines limites: (1) sa grande profondeur de pénétration optique élimine la possibilité de sonder les propriétés optiques en champ proche au niveau des surfaces (2), ill 'efficacité de la capture de l'énergie acoustique émise est faible en raison de la propagation sphérique de la majorité de l'énergie à une distance du détecteur (3) Les échantillons doivent comprendre des chromophores dans le régime des longueurs d'onde considérée.

Lorsqu'il est combiné avec des techniques basées sur le terrain-évanescentes, cependant, beaucoup de ces limitations peuvent être atténués. Le champ évanescent se produit lorsqu'un faisceau lumineux subit une réflexion interne totale (TIR), tel que décrit par la loi de Snell, ce qui permet également l'effet des guides d'ondes à fibre optique pour guider la lumière de grandes distances (km) pour des applications de calcul et de télécommunication. Dans les applications pratiques, le champ évanescent est utilisé dans une variété de technologies de caractérisation et d'imagerie, y compris la spectroscopie de réflexion totale atténuée (ATR). L'imagerie est réalisée avec un contraste élevé en raison du confinement de la lumière dans les premières centaines de nanomètres dans l'échantillon d'intérêt. Le champ évanescent prend la forme d'un exponentially champ putréfaction qui se prolonge dans le milieu externe à une profondeur de pénétration optique qui est typiquement de l'ordre de la longueur d'onde utilisée (habituellement ~ 500 nm ou moins), comme indiqué dans les équations 3 et 4.

où I est l'intensité lumineuse en% à une position z de l'interface prisme / échantillon, I ₀ est l'intensité lumineuse initiale en% à l'interface, z est la distance en nanomètres, et δ _p est la profondeur de pénétration optique tel que représenté dans l' équation 4. avec une telle petite profondeur de pénétration optique, le champ évanescent est capable d'interagir avec l'environnement très proche de l'interface des deux matériaux, et bien inférieures aux limites de diffraction optiques et acoustiques. Les propriétés optiques des matériaux ou des particules à l' intérieur de cette plage peuvent perturber le champ ou autrement modifier sa génération, l' interaction peut être détectée par une variété de méthodes ^3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Lorsqu'on utilise des techniques évanescentes sont combinées avec le PAS, les formes d' ondes photo – acoustiques produites peuvent être utilisées pour caractériser des matériaux ou des particules qui interagissent avec le champ évanescent, ce qui crée le champ évanescent photoacoustique sur la base (FEAP) famille de techniques, comme le montre la figure 1. Cette famille comprend, mais sans s'y limiter, la réflexion interne totale spectroscopie photoacoustique (de TIRPAS), tunnel optique spectroscopie photoacoustique (OTPAS) et résonance plasmonique de surface spectroscopie photoacoustique (SPRPAS). Le lecteur intéressé se reportera aux références suivantes pour dérivations des équations utilisées pour TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS réfractométrie ¹⁸ et OTPAS ^6. Dans chaque cas, l'effet photoacoustique est généré par un mécanisme d'excitation différent que la simple transmission à travers un prisme; par exemple, dans TIRPAS, la lumière est évanescentecouplé à travers un prisme / substrat / interface échantillon dans les chromophores (qui pourrait inclure l'échantillon lui-même, ou des molécules hôtes au sein de l'échantillon), alors que dans SPRPAS, le principal mode d'excitation est la place par l'absorption d'un plasmon de surface, qui est une onde électromagnétique secondaire créée lorsque l'énergie du champ evanescent est transféré dans le nuage d'électrons d'une couche métallique déposée sur la surface du prisme. Cette famille de techniques a été inventé au début des années 1980 par Hinoue et al., Et amélioré par T. Inagaki et al. Avec l'invention de SPRPAS, mais a vu très peu de développement en raison des limitations techniques des sources lumineuses et de l' équipement de détection disponibles . Plus récemment, les enquêtes précédentes ont montré que la sensibilité accrue et l'utilité sont possibles avec le fluorure moderne de polyvinylidène (PVDF) détecteurs à ultrasons et q commuté dopé au néodyme grenat d'yttrium aluminium (Nd: YAG) lasers. Plus précisément, nanoseconde puisées Nd: YAGLes lasers se traduisent par une augmentation d'un facteur 10 ⁶ dans la puissance de crête, ce qui permet des techniques EFPA pour devenir des outils utiles pour évaluer les propriétés optiques d'une variété de matériaux et d' interfaces ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} En outre, des travaux antérieurs ont en outre montré la capacité de ces techniques pour déterminer des informations structurelles sur les matériaux à une interface, ce qui était auparavant jamais réalisable avec la spectroscopie photoacoustique traditionnelle (PAS) technologies en raison de leur relativement grande profondeur de pénétration ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

Cette possibilité est représentée dans les protocoles qui suivent la technique sous OTPAS; Cependant, à un niveau plus fondamental, les trois techniques reposent chacun sur une équation différente définitive, qui détermine les possibilités de la technologie. Par exemple, dans TIRPAS, la profondeur de pénétration optique du champ évanescent, δ ' , _p, entraîne principalement la résultante acoustiquel'intensité du signal à un échantillon absorbant, et il est décrit par:

où λ ₁ est la longueur d'onde de la lumière se propageant à travers le milieu du prisme et est défini par la relation : λ ₁ = λ / n ₁ dans laquelle n ₁ est l'indice de réfraction du matériau du prisme. En outre, θ désigne l'angle d'excitation et n ₂₁ se réfère au rapport des indices de réfraction de chaque support , et est défini par n ₂₁ = n ₂ / n _1, où n ₂ est l'indice de réfraction du matériau de l' échantillon. Plus la profondeur de pénétration optique, plus la matière est en cours d'irradiation. Pour que l'effet photoacoustique, plus la profondeur de pénétration optique, plus un matériau est excité qui peut produire des ondes acoustiques conduisant à un signal acoustique plus grande.

où n ₁ est l'indice de réfraction du prisme, θ ₁ est l'angle d'incidence à l'interface prisme / échantillon, n ₂ est l'indice de réfraction de l'échantillon, et θ ₂ est l'angle de la lumière qui est réfractée à travers la seconde moyen. La sensibilité de l' estimation de l'indice de réfraction d'un matériau est principalement attribuable à la précision de l'estimation de θ _1. Dans la réflexion interne totale, qui est atteint lorsque θ ₁ est au – delà de l'angle critique qui génère un champ évanescent, sin θ ₂ = 1 et , par conséquent, l' équation se réduit à 5 n ₂ = n ₁ sin _1. (Note: θ ₁ =θ _critique) Connaissant l'angle auquel la dérivée numérique (dP / dθ où P est la tension crête à crête du signal photoacoustique et θ est l'angle d'incidence de la lumière avec l'échantillon) du signal photoacoustique a un minimum local permet pour l'estimation de θ ₁ qui permet à l'utilisateur de résoudre pour n ₂ , et donc d' estimer l'indice de réfraction d'un échantillon en vrac comme représenté sur la figure 1.

Enfin, dans OTPAS, l'équation suivante concerne la transmission optique en% de pic photoacoustique à la tension de crête par:

où T est la transmission optique pour cent, p est la tension crête-à-crête généré par le spectre angulaire d'un substrat avec un film sur elle, p ₀ est la tension crête-à-crête généré par le spectre angulaire osubstrat fa, β est la constante de couplage en fonction de l'indice de réfraction du prisme et de l'huile d'immersion, α est le facteur d'atténuation, et est un facteur que l' épaisseur et l' indice de réfraction du film d'échantillon dans le champ évanescent comporte. La sensibilité de cette technique à l' épaisseur et l' indice de réfraction est entraîné par la précision de l' estimation de la crête à crête des intensités de signaux acoustiques, p et p ₀ , à chaque angle d'incidence dans le spectre angulaire. Il a été démontré que β peut être calculée directement sur ​​la base des indices de réfraction du prisme et de l'huile d'immersion; Par conséquent, il est une tâche simple de calculer la transmission optique au niveau de chaque angle d'incidence et d'extraire ensuite une estimation de l'indice de réfraction et de l'épaisseur du film grâce à une analyse d'ajustement de courbe statistique. Le lecteur intéressé devrait se référer à Goldschmidt et al. Pour plus d' informations. ^5,6

Til FEAP système est un système à base de photoacoustique capable d'estimer l'épaisseur, l'indice mince pellicule de réfraction, l'indice de réfraction en masse, et à générer des signaux acoustiques à travers l'absorption optique pour la détection. Le système est constitué d'un laser, un train optique pour guider la lumière vers le prisme / échantillon et sur le côté de mesure de l'énergie laser. Du côté de la mesure de l' énergie du laser est utilisé pour normaliser le signal photoacoustique à l'énergie laser incidente , comme illustré sur la figure 2. Le système FEAP est entraîné par un entraînement de moteur pas à pas pour faire tourner le prisme / échantillon pour les spectres angulaire PAS / TIRPAS réfractométrie et OTPAS . Le système acquiert des données via une carte d'acquisition numérique et fournit une interface utilisateur et le contrôle de la scène automatisée par un dans le programme de la maison.