Abklingende Feld Basierend Photoakustik: Optische Objektbewertung an Oberflächen

Fortschritte im Verständnis von optischen Materialien ^{1,3,4,6,7,10,13-16} neue Einblicke in die Entstehung von Dünnschichtmaterialien für eine Vielzahl von optischen Geräten zur Verfügung gestellt haben, einschließlich der Antireflexschichten auf den Linsen, hohe Auslöschungsverhältnis optische Filter und hochabsorbierenden Stabwellenleiter ^17. Diese Fortschritte wäre nicht möglich, ohne die Verwendung von vielen Charakterisierungstechniken, wie Ellipsometrie ^4,6,18, Kontaktwinkelmessung, Rasterkraftmikroskopie ^7,11,19 und Abtast- / Transmissions – Elektronenmikroskopie, die in der iterative Verbesserung der Unterstützungs diese Technologien durch direkte Maßnahmen oder indirekte Schätzungen der grundlegenden optischen Materialeigenschaften bietet. Die genannten Eigenschaften, wie der Brechungsindex, die regeln, wie die Materialien mit einfallenden Photonen zu interagieren, die direkt ihre Funktion und ihre Verwendung in optischen Anwendungen auswirkt. Jedoch hat jede dieser Techniken hat sich in Bezug auf Beschränkungen Résolution, Probenvorbereitung, die Kosten und Komplexität, und jeder erzeugt nur eine Teilmenge der vollständig benötigten Daten, um das Material zu charakterisieren. Davon abgesehen, eine neue Reihe von Techniken, bekannt als abklingende Feld basierte Photoakustik (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} wie in Abbildung 1 gezeigt, hat das Potenzial , Materialeigenschaften im Nanobereich in einem konsolidierten abzuschätzen eine Reihe von Untersuchungen. EFPA umfasst die Unter Techniken der inneren Totalreflexion photoakustische Spektroskopie (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} photoakustische Spektroskopie / interne Totalreflexion photoakustische Spektroskopie Refraktometrie (PAS / TIRPAS Refraktometrie) ¹⁸ und optischen Tunnel photo – akustischen Spektroskopie (OTPAS) ^6, und wurde verwendet, bulk und Dünnschichtbrechungsindex, Schichtdicken, sowie zu erfassen absorbierendes Material an einer prism / Probe oder Substrat / Proben – Grenzfläche zu schätzen.

Um die EFPA Mechanismus zu verstehen, einmuss zunächst das Konzept der photoakustischen Spektroskopie (PAS) zu verstehen, die durch die schnelle thermoelastischem Expansion eines Chromophors zur Erzeugung von Ultraschall – Druckwellen bezeichnet, nach der Absorption eines ultra-kurzen (<usec) Lichtimpuls (Figur 1). Theoretische und mathematische Rahmen für die photoakustische Effekt in diesem Papier können hier ^50-59 erhalten werden. Die sich ergebende Druckänderung kann durch ein Ultraschallmikrophon oder -wandler detektiert werden. Die photo-akustischen Effekt, die ursprünglich im Jahr 1880 mit der Erfindung von Alexander Graham Bell Photophon entdeckt wurde "neu entdeckt" in den frühen 1970er Jahren aufgrund der Fortschritte in der Laser und Mikrofon-Technologie, und schließlich in die Praxis umgesetzt, um Nischenanwendungen aus der biomedizinischen Bildgebung zu Dünnfilm füllen Analyse der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen. ^{1,53-57,59-82} Dieser Effekt mathematisch mit eindimensionalen Wellengleichungen beschrieben werden kann, wobei the Welle ist eine einfache akustische Quelle, deren Druck (p) variiert sowohl in der Position (x) und die Zeit (t):

mit Lösungen für einfache akustischen Quellen der Form ⁶⁴

wobei P der Druck ist, = Γ & alpha; v _s ² / C _p wobei α das Volumen Wärmeausdehnungskoeffizient ist, v _s die Geschwindigkeit des Schalls in dem Medium ist, und C _p die Wärmekapazität bei konstantem Druck, H ₀ die Strahlungsbelichtungs des Laserstrahls, c die Schallgeschwindigkeit in dem angeregten Medium ist, ist x die Länge und t die Zeit ist . Die Größe der resultierenden Schallwelle beruht direkt auf der optischen Absorptionskoeffizienten des Materials, & mgr; _a, which ist das Inverse der optischen Eindringtiefe δ, welche wiederum ein Maß für die Entfernung , die das Licht bewegt , bis es auf 1 / e ihres ursprünglichen optischen Intensitäts Zerfälle. Während die Gleichung (1) eine allgemeine Gleichung für eine eindimensionale ebene Wellenquelle ist typisch Absorber wird eine sphärische Schallwellen in drei Dimensionen emittieren. Über die mathematische Beschreibung, Anwendungen der photo – akustischen Effekt ⁵⁴ Spanne viele Bildgebungsmodalitäten wie Mikroskopie, Tomographie und sogar molekulare Bildgebung auf der photoakustischen Effekt aufgrund hoher Empfindlichkeit gegenüber der großen optischen Absorption aufgrund des natürlich vorhandenen Chromophor Hämoglobin aufgrund aufweist. Andere Anwendungen der photoakustischen Effekt umfassen auch die Abschätzung der verschiedenen Dünnfilmeigenschaften ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} Allerdings hat PAS bestimmte Einschränkungen haben: (1) seine umfangreiche optische Eindringtiefe beseitigt die Fähigkeit zur Sonde optischen Nahfeld-Eigenschaften an Oberflächen (2) esdie Effizienz der emittierten Schallenergie erfassen ist aufgrund der sphärischen Ausbreitung der größte Teil der Energie weg von dem Detektor (3) Proben müssen Chromophore im Wellenlängenbereich unter Berücksichtigung umfassen.

Wenn mit evaneszenten Feld basierenden Techniken kombiniert, jedoch können viele dieser Beschränkungen abgemildert werden. Das abklingende Feld auftritt, wenn ein Lichtstrahl, der eine innere Totalreflexion (TIR) ​​unterliegt, wie durch Snell-Gesetz beschrieben, die Wirkung auch faseroptische Wellenleiter ermöglicht, dass Licht große Entfernungen (km) für die Berechnung und Telekommunikationsanwendungen zu führen. In praktischen Anwendungen wird das abklingende Feld in einer Vielzahl von Charakterisierung und Bildgebungstechnologien, einschließlich abgeschwächte Totalreflexionsspektroskopie (ATR) verwendet. Imaging mit hohem Kontrast durch die Einschließung des Lichts innerhalb der ersten wenigen hundert Nanometern in der Probe von Interesse erzielt. Das abklingende Feld nimmt die Form eines exponentially abklingende Feld, das auf eine optische Eindringtiefe in das Außenmedium erstreckt, die typischerweise in der Größenordnung der Wellenlänge verwendet wird (in der Regel ~ 500 nm oder weniger), wie in den Gleichungen 3 und 4 gezeigt.

wo I die Lichtintensität in% an einer Position z von der prism / Proben – Grenzfläche ist, I ₀ die anfängliche Lichtintensität in% an der Grenzfläche ist, ist z Entfernung in Nanometer und δ _p ist die optische Eindringtiefe wie in Gleichung 4. mit einem derartigen kleinen optischen Eindringtiefe ist das abklingende Feld mit der Umgebung in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche der beiden Materialien, und unterhalb der optischen und akustischen Beugungsgrenzen gut zu interagieren können. Die optischen Eigenschaften von Materialien oder Teilchen innerhalb dieses Bereichs kann das Feld stören oder auf andere Weise seiner Erzeugung verändert, die Wechselwirkung ³ durch eine Vielzahl von Verfahren nachgewiesen ^werden,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Wenn evaneszenten Techniken mit PAS kombiniert werden, erzeugt der photoakustischen Wellenformen verwendet werden können , Materialien oder Teilchen mit dem evaneszenten Feld in Wechselwirkung zu charakterisieren, die evaneszente Feld Schaffung basierend Photoakustik (EFPA) -Familie von Techniken, wie in Abbildung 1 gezeigt. Diese Familie umfasst, aber nicht beschränkt auf, interne Totalreflexion photoakustische Spektroskopie (TIRPAS), optische Tunnelphotoakustische Spektroskopie (OTPAS) und Oberflächenplasmonresonanz photoakustische Spektroskopie (SPRPAS) begrenzt. Der interessierte Leser sollte für Ableitungen der Gleichungen verwendet , um die folgenden Hinweise beziehen sich TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS Refraktrometrie ¹⁸ und OTPAS ^6. In jedem Fall wird das photoakustische Effekt durch eine andere Anregungsmechanismus erzeugt als einfache Durchlässigkeit durch ein Prisma; beispielsweise in TIRPAS ist die Licht evaneszentgekoppelt durch ein Prisma / Substrat / Proben-Grenzfläche in den Chromophoren (die das Probenmaterial selbst, oder Gastmoleküle in der Probe enthalten könnte), während in SPRPAS der primäre Modus des Anregungs statt durch die Absorption eines Oberflächenplasmon ist, das ist eine sekundäre EM-Welle erzeugt wird, wenn die Energie des evaneszenten Feldes in die Elektronenwolke einer Metallschicht auf der Prismenoberfläche abgeschieden übertragen wird. Diese Familie von Techniken wurde ursprünglich in den frühen 1980er Jahren von Hinoue et al erfunden., Und verbessert durch T. Inagaki et al. Mit der Erfindung der SPRPAS, sah aber sehr wenig Entwicklung aufgrund technischer Einschränkungen der Lichtquellen und Detektoren zur Verfügung . In jüngerer Zeit haben frühere Untersuchungen gezeigt, die mit modernen Polyvinylidenfluorid (PVDF) Ultraschalldetektoren und gütegeschalteten Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Empfindlichkeit und Nutzen sind möglich erhöht (Nd: YAG) Laser. Insbesondere Nanosekunde gepulsten Nd: YAGLaser führen zu einer 10 ⁶ fache Erhöhung der Spitzenleistung, die zur Auswertung der optischen Eigenschaften einer Vielzahl von Materialien und Grenzflächen EFPA Techniken werden nützliche Werkzeuge ermöglicht ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} Zusätzlich hat frühere Arbeiten weiter die Fähigkeit solcher Techniken gezeigt strukturelle Informationen über Materialien an der Grenzfläche zu bestimmen, die mit herkömmlichen photoakustische Spektroskopie (PAS) Technologien aufgrund ihrer relativ großen Eindringtiefe ^53,55,57,59 bisher nie erreicht werden ^{konnte, 61,62,69,73,75,80,81.}

Diese Fähigkeit wird in den Protokollen gezeigt, die unter der OTPAS Technik folgen; jedoch auf einer grundlegenden Ebene die drei Techniken jeweils stützen sich auf eine unterschiedliche endgültige Gleichung, die die Leistungsfähigkeit der Technologie bestimmt. Beispielsweise in TIRPAS, die optische Eindringtiefe des evaneszenten Feldes, δ _'p, steuert in erster Linie die sich ergebende akustischeSignalintensität einer absorbierenden Probe und wird beschrieben durch:

wobei λ ₁ die Wellenlänge des Lichtes durch das Prisma Medium Reisen und durch die Beziehung λ ₁ = λ / n _1, wobei n ₁ der Brechungsindex des Prismenmaterials ist. Zusätzlich bezieht sich θ dem Winkel des Anregungs und n ₂₁ bezieht sich auf das Verhältnis der Brechungsindizes jedes Mediums und von n ₂₁ = n ₂ / n _1, wobei n ₂ der Brechungsindex des Probenmaterials ist. Je größer die optische Eindringtiefe, desto mehr Material bestrahlt wird. Für den photoakustischen Effekt, desto größer ist die optische Eindringtiefe, desto mehr Material angeregt wird, die akustische Wellen erzeugen kann, auf eine größere akustische Signal führt.

wobei ₁ n der Brechungsindex des Prismas ist, θ ₁ der Einfallswinkel an der prism / Proben – Grenzfläche, n ₂ der Brechungsindex der Probe, und θ ₂ der Winkel des Lichts , das durch die zweite gebrochen Mittel. Die Empfindlichkeit des Brechungsindex eines Materials Abschätzung wird durch die Genauigkeit der Schätzung von θ _1. In die innere Totalreflexion primär angetrieben, der erreicht wird , wenn θ ₁ über dem kritischen Winkel ist, der eine evaneszente Feld erzeugt, sin θ ₂ = 1 und daher Gleichung 5 reduziert zu n ₂ = n ₁ sin & thgr; _1. (Hinweis: θ ₁ =θ _kritisch) Die Kenntnis der Winkel , in dem die numerische Ableitung (dP / d & theta; P ist die Spitze – Spitze – Spannung des photo – akustischen Signals ist , und θ der Einfallswinkel des Lichtes mit der Probe vorhanden ist) des photo – akustischen Signals verfügt über eine lokale Minima ermöglicht zur Abschätzung der θ _1, die der Benutzer für n ₂ und damit eine Schätzung der bulk Brechungsindex einer Probe zu lösen , ermöglicht , wie in Abbildung 1 dargestellt.

Schließlich in OTPAS bezieht sich die folgende Gleichung optische Übertragung in% auf photo-akustischen Spitze-Spitze-Spannung von:

wobei T die prozentuale optische Übertragung ist, p die Spitze-zu-Spitze – Spannung , die von der Winkelspektrum eines Substrats mit einem Film darauf, p ₀ ist der Spitze-zu-Spitze – Spannung , die durch die Winkelspektrum o erzeugtenfa Substrat, β die Kopplungskonstante ist , basierend auf dem Brechungsindex des Prismas und dem Immersionsöl, α ist der Dämpfungsfaktor und ist ein Faktor, der Dicke und der Brechungsindex des Probenfilms innerhalb des abklingenden Feldes umfasst. Die Empfindlichkeit dieser Technik auf die Dicke und der Brechungsindex wird durch die Genauigkeit der Abschätzung der Spitze – Spitze akustischen Signalintensitäten, p und p ₀ bei jedem Einfallswinkel im Winkelspektrum angetrieben. Es hat sich gezeigt , dass β gezeigt , direkt basierend auf den Brechungsindizes des Prismas und dem Immersionsöl berechnet werden; Folglich ist es eine einfache Aufgabe, die optische Übertragung bei jedem Einfallswinkel zu berechnen und dann einen Schätzwert für den Brechungsindex und die Dicke des Films durch statistische Kurvenanpassungsanalyse extrahieren. Der interessierte Leser sollte der Firma Goldschmidt et al verweisen. Für weitere Informationen. ^5,6

Ter EFPA System ist ein photoakustisches basierte System in der Lage, die Dicke, Dünnfilmbrechungsindex, bulk Brechungsindex Abschätzen und zum Erzeugen akustischer Signale, die durch optische Absorption für die Erkennung. Das System besteht aus einem Laser besteht, einen optischen Zug, das Licht zu dem Prisma / Probe und zu der Laserenergiemessseite zu führen. Die Laserenergiemessseite wird verwendet , um das photoakustische Signal zu dem einfallenden Laserenergie in Figur 2 , wie gezeigt , zu normalisieren. Die EFPA System durch einen Schrittmotortreiber angetrieben wird das Prisma / Probe für die Winkelspektren in PAS / TIRPAS Refraktometrie und OTPAS zu drehen . Das System erfasst Daten über eine digitale Erfassungskarte und bietet eine Benutzeroberfläche und automatisierte Stufensteuerung durch ein in Hausprogramm.