Evanescente de campo Photoacoustics Basado óptico Evaluation: Propiedad en superficies

Los avances en la comprensión de los materiales ópticos ^{1,3,4,6,7,10,13-16} haber proporcionado nuevos conocimientos sobre la creación de materiales de película delgada para una serie de dispositivos ópticos, incluidos los recubrimientos antirreflectantes en las lentes, alta relación de extinción óptica filtros y guías de onda losa altamente absorbentes ^17. Estos avances no serían posibles sin el uso de muchas técnicas de caracterización, tales como elipsometría ^4,6,18, la medición del ángulo de contacto, microscopía de fuerza atómica ^7,11,19, y microscopía de barrido / de transmisión de electrones, que ayudan en la mejora iterativa de estas tecnologías por medio de medidas directas o indirectas de las estimaciones de las propiedades del material ópticas fundamentales. Dichas propiedades, tales como el índice de refracción, gobiernan cómo los materiales interactúan con fotones incidentes, lo que afecta directamente a su función y su uso en aplicaciones ópticas. Sin embargo, cada una de estas técnicas tiene limitaciones en relación con RESOLUción, la preparación de muestras, el costo y la complejidad, y cada uno genera sólo un subconjunto de los datos necesarios para caracterizar completamente el material. Dicho esto, un nuevo conjunto de técnicas, conocidas como photoacoustics basadas en el campo evanescente (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} como se muestra en la Figura 1, tiene el potencial para estimar propiedades de los materiales a escala nanométrica en una consolidada un conjunto de experimentos. EFPA abarca los sub-técnicas de reflexión interna total espectroscopía fotoacústica (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45,} espectroscopia fotoacústica / reflexión interna total espectroscopia fotoacústica refractometría (PAS / TIRPAS refractometría) ^18, y fotoacústica túnel óptico espectroscopia (OTPAS) ^6, y se ha utilizado para estimar granel y de película delgada índice de refracción, los espesores de película, así como para detectar materiales absorbentes en un prisma / muestra o de la interfaz sustrato / muestra.

Con el fin de comprender el mecanismo EFPA, unoprimero hay que entender el concepto de la espectroscopia fotoacústica (PAS), que se refiere a la generación de ondas de presión ultrasónicas por la rápida expansión termoelástica de un cromóforo, tras la absorción de un ultra-corta (<microsegundos) pulso de luz (Figura 1). Marco teórico y matemático para el efecto fotoacústica analizado en este documento se puede obtener aquí ^50-59. El cambio resultante en la presión puede ser detectada por un micrófono o transductor ultrasónico. El efecto fotoacústica, descubierto originalmente en 1880 con la invención de fotófono de Alexander Graham Bell, fue "redescubierto" a principios de 1970, debido a los avances en la tecnología láser y micrófono, y, finalmente, poner en uso práctico para llenar aplicaciones de nicho de imágenes biomédicas de película delgada análisis para ensayos no destructivos de materiales. ^{1,53-57,59-82} Este efecto se puede describir matemáticamente con ecuaciones de onda de una dimensión, en el que THe onda es una fuente acústica sencilla cuya presión (p) varía tanto en la posición (x) y el tiempo (t):

con soluciones para fuentes acústicas simples de la forma ⁶⁴

donde p es la presión, Γ = alpha v _{s p} donde α es el coeficiente de expansión térmica del volumen ² / C, v _s es la velocidad del sonido en el medio, y _Cp es la capacidad calorífica a presión constante, H ₀ es la exposición radiante del haz de láser, c es la velocidad del sonido en el medio excitado, x es la longitud, y t es el tiempo. La magnitud de la onda acústica resultante se apoya directamente sobre el coeficiente de absorción óptica del material, mu _a, which es la inversa de la profundidad de penetración óptica, δ, que es a su vez una medida de la distancia que la luz viaja hasta que decae a 1 / e de su intensidad óptica inicial. Mientras que la ecuación (1) es una ecuación general para una fuente de ondas de un plano dimensional, absorbentes típicos se emiten una onda acústica esférica en tres dimensiones. Más allá de la descripción matemática, las aplicaciones de los fotoacústica efecto ⁵⁴ abarcan muchas modalidades de imágenes tales como la microscopía, la tomografía, e incluso imágenes moleculares, debido al efecto fotoacústica que tiene una alta sensibilidad debido a la gran absorción óptica debido a la presente de forma natural hemoglobina cromóforo. Otras aplicaciones del efecto fotoacústica incluso incluyen la estimación de diversas propiedades de película delgada ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84.} Sin embargo, PAS tiene ciertas limitaciones: (1) su amplia profundidad de penetración óptica elimina la capacidad de la sonda de campo cercano propiedades ópticas en las superficies (2) ses eficiencia de la captura de la energía acústica emitida es baja debido a la propagación esférica de la mayoría de la energía de distancia del detector (3) muestras deben incluir cromóforos en el régimen de longitudes de onda bajo consideración.

Cuando se combina con las técnicas basadas en campo evanescente, sin embargo, muchas de estas limitaciones se pueden mejorar. El campo evanescente se produce cuando un haz de luz sufre una reflexión interna total (TIR), como se describe por la ley de Snell, que efecto también permite a las guías de ondas de fibra óptica para guiar a distancias grandes de luz (km) para aplicaciones de computación y de telecomunicaciones. En las aplicaciones prácticas, el campo evanescente se utiliza en una variedad de tecnologías de caracterización y de formación de imágenes, incluyendo la espectroscopía de reflectancia total atenuada (ATR). Imaging se consigue con alto contraste debido al confinamiento de la luz dentro de los primeros pocos cientos de nanómetros en la muestra de interés. El campo evanescente toma la forma de un exponentially campo de descomposición que se extiende en el medio externo a una profundidad de penetración óptica que es típicamente del orden de la longitud de onda se utiliza (normalmente ~ 500 nm o menos) como se muestra en las ecuaciones 3 y 4.

donde I es la intensidad de la luz en% en una z ubicación en la interfaz prisma / muestra, I ₀ es la intensidad de luz inicial en% en la interfaz, z es la distancia en nanómetros, y δ _p es la profundidad de penetración óptica, como se muestra en la ecuación 4. con una pequeña profundidad de penetración tales óptica, el campo evanescente es capaz de interactuar con el medio ambiente muy cerca de la interfase de los dos materiales, y muy por debajo de los límites de difracción ópticas y acústicas. Las propiedades ópticas de los materiales o partículas dentro de este rango pueden perturbar el campo o de otra manera alterar su generación, que la interacción puede ser detectado por una variedad de métodos ^3,5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

Cuando las técnicas evanescentes se combinan con PAS, las formas de onda fotoacústicas producidos se pueden utilizar para caracterizar los materiales o partículas que interactúan con el campo evanescente, creando el campo evanescente photoacoustics base (EFPA), la familia de técnicas, como se muestra en la Figura 1. Esta familia incluye, pero no se limita a, la espectroscopia fotoacústica reflexión interna total espectroscopia fotoacústica (TIRPAS), túnel óptico espectroscopia fotoacústica (OTPAS), y resonancia de plasmón superficial (SPRPAS). El lector interesado debe hacer referencia a las siguientes referencias para derivaciones de las ecuaciones utilizadas para TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS refractometría ^18, y OTPAS ^6. En cada caso, el efecto fotoacústica se genera a través de un mecanismo de excitación diferente de la transmitancia sencilla a través de un prisma; por ejemplo, en TIRPAS, la luz es evanescenteacoplado a través de un / sustrato interfaz prisma / muestra en los cromóforos (que puede incluir el material de muestra en sí, o moléculas huésped dentro de la muestra), mientras que en SPRPAS, el principal modo de excitación es, en cambio a través de la absorción de un plasmón de superficie, que es una onda EM secundaria crea cuando la energía del campo evanescente se transfiere a la nube de electrones de una capa de metal depositado sobre la superficie del prisma. Esta familia de técnicas fue inventado originalmente en la década de 1980 por Hinoue et al., Y mejorado por T. Inagaki et al., Con la invención de SPRPAS, pero vio muy poco desarrollo debido a las limitaciones técnicas de las fuentes de luz y equipos de detección disponibles . Más recientemente, las investigaciones anteriores han demostrado que el aumento de la sensibilidad son posibles y utilidad con fluoruro moderno de polivinilideno (PVDF) detectores ultrasónicos y el granate de itrio y aluminio dopado con neodimio conmutación de Q-(Nd: YAG) láser. En concreto, nanosegundo-pulsado de Nd: YAGláseres resultan en un aumento de 10 veces ⁶ en la potencia de pico, que permite a las técnicas de la EFPA para convertirse en herramientas útiles para evaluar las propiedades ópticas de una variedad de materiales e interfaces ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84 , 96.} Además, el trabajo previo ha demostrado aún más la capacidad de estas técnicas para determinar información estructural de los materiales en una interfaz, lo cual fue previamente nunca se puede lograr con las tecnologías de espectroscopia fotoacústica (PAS) tradicional debido a su relativamente grande profundidad de penetración ^{53,55,57,59, 61,62,69,73,75,80,81.}

Esta capacidad se muestra en los protocolos que siguen bajo la técnica OTPAS; sin embargo, en un nivel más fundamental las tres técnicas se basan en cada una ecuación definitiva diferente, que determina las capacidades de la tecnología. Por ejemplo, en TIRPAS, la profundidad de penetración óptica del campo evanescente, δ _'p, conduce principalmente la acústica resultanteintensidad de la señal a una muestra de absorción, y se describe por:

donde λ ₁ es la longitud de onda de la luz que viaja a través del medio de prisma y se define por la relación λ ₁ = λ / n ₁ en la que n es ₁ el índice de refracción del material de prisma. Además, θ se refiere al ángulo de excitación, y n ₂₁ se refiere a la relación de los índices de refracción de cada medio y se define por n ₂₁ n = ₂ / n _1, en ​​el que n es ₂ el índice de refracción del material de muestra. Cuanto mayor sea la profundidad de penetración óptica, está siendo irradiado, las más material. Para el efecto fotoacústica, mayor será la profundidad de penetración óptica, más material está siendo excitado que puede producir ondas acústicas que conducen a una señal acústica de mayor tamaño.

donde n ₁ es el índice de refracción del prisma, θ ₁ es el ángulo de incidencia en la interfaz prisma / muestra, n ₂ es el índice de refracción de la muestra, y θ ₂ es el ángulo de la luz que se refracta a través de la segunda medio. La sensibilidad de la estimación del índice de refracción de un material es impulsado principalmente por la exactitud de la estimación de θ _1. En la reflexión interna total, que se consigue cuando θ ₁ está más allá del ángulo crítico que genera un campo evanescente, pecado θ ₂ = 1 y por lo tanto, la ecuación 5 se reduce a N ₂ = n ₁ sinθ _1. (Nota: θ = ₁θ _crítico) Conociendo el ángulo en el que la derivada numérica (dP / dθ donde P es el pico a la tensión de pico de la señal fotoacústica y θ es el ángulo de incidencia de la luz con la muestra) de la señal fotoacústica tiene un mínimos locales permite para la estimación de θ ₁ que permite al usuario para resolver para n ₂ y por lo tanto estimar el índice de refracción mayor de una muestra como se muestra en la Figura 1.

Finalmente, en OTPAS, la siguiente ecuación relaciona la transmisión óptica en% de pico a pico de voltaje fotoacústica por:

donde T es la transmisión óptica por ciento, p es la tensión de pico a pico generado por el espectro angular de un sustrato con una película sobre el mismo, p ₀ es la tensión de pico a pico generado por el espectro angular osustrato fa, β es la constante de acoplamiento basado en el índice de refracción del prisma y el aceite de inmersión, α es el factor de atenuación, y es un factor que incluye el espesor y el índice de refracción de la película de la muestra dentro del campo evanescente. La sensibilidad de esta técnica para el espesor y el índice de refracción es impulsado por la exactitud de la estimación de la pico a pico intensidad de la señal acústica, p y p ₀ en cada ángulo de incidencia en el espectro angular. Se ha demostrado que β se puede calcular directamente sobre la base de los índices de refracción del prisma y el aceite de inmersión; en consecuencia, es una tarea sencilla para calcular la transmisión óptica en cada ángulo de incidencia y a continuación, extraer una estimación para el índice de refracción y el espesor de la película a través del análisis de ajuste de curva estadística. El lector interesado debe hacer referencia a Goldschmidt et al., Para más información. ^5,6

Tque EFPA sistema es un sistema basado fotoacústica capaz de estimar el espesor, índice de refracción de película delgada, índice de refracción mayor, y la generación de señales acústicas a través de absorción óptica para la detección. El sistema se compone de un láser, un tren óptico para guiar la luz al prisma / muestra y hacia el lado de medición de energía láser. El lado medición de la energía láser se utiliza para normalizar la señal fotoacústica a la energía láser incidente como se muestra en la Figura 2. El sistema de EFPA es accionado por un controlador de motor paso a paso para hacer girar el prisma / muestra para los espectros angular en PAS refractometría / TIRPAS y OTPAS . El sistema adquiere datos a través de una tarjeta de adquisición digital y proporciona una interfaz de usuario y el control automatizado de fase a través de un programa en casa.