Ακουστική Μικρών Διαστάσεων με Υπερβραχείς Παλμούς Laser (Φυσική και Τεχνολογία)

Transcript

1 Σεμινάριο Ηλεκτρονικών Μηχανικών, ΣΕΦΕ,ΤΕΙ Κρήτης 19/12/2016 Ακουστική Μικρών Διαστάσεων με Υπερβραχείς Παλμούς Laser (Φυσική και Τεχνολογία) Νεκτάριος Παπαδογιάννης 1 Τμήμα Μηχανικών Μουσικής Τεχνολογίας και Ακουστικής, ΣΕΦΕ, ΤΕΙ Κρήτης 2 Κέντρο Φυσικής Πλάσματος και Laser, ΣΕΦΕ, ΤΕΙ Κρήτης * npapadogiannis@staff.teicrete.gr

2 Οι κλίμακες του χώρου meters Άνθρωπος Στερεά πλέγματα Έμβια ύλη Πλανήτες Άστρα Άτομα Γαλαξίες Πυρήνες ατόμων Σύμπαν Στοιχειώδη σωμάτια

3 Παρίσι 2031 Αντιδιαβρωτικές νανοσωματιδιακές βαφές Οργανικές φωτοδίοδοι (OLED) για οθόνες Κράνος που διατηρεί την επικοινωνία με τον εργοδότη Πιεζοτάπητες αποτρέπουν τους ενοχλητικούς κραδασμούς Κυψέλες καυσίμου Το πλαίσιο από νανοσωλήνες buckytube είναι ελαφρό σαν πούπουλο και σταθερό τροφοδοτούν κινητά τηλέφωνα και οχήματα Ευφυή ενδύματα μετρούν τους σφυγμούς και την αναπνοή Τεχνητή άρθρωση ισχίου από βιοσυμβατά υλικά Κατάλογος κατασκευασμένος από ηλεκτρονικό χαρτόνι. Υφάσματα με επίστρωμα προστασίας από λεκέδες. Φωτοβολταϊκά φύλλα μετατρέπουν το φως σε ισχύ Οι φωτοδίοδοι ανταγωνίζονται τους λαμπτήρες Τζάμια παραθύρων με αντιχαρακτηκό επίστρωμα τύπου φαινομένου λωτού. Νανοσωλήνες για νέες οθόνες φορητών υπολογιστών Μαγνητικές στιβάδες για πολύ μικρές μνήμες δεδομένων

4 Υψίσυχνα ακουστικά κύματα δημιουργούμενα από παλμικά Laser Εφαρμογές στην νανοτεχνολογία Πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα παραπάνω για τον χαρακτηρισμό υλικών Μηχανικά ακουστικά κύματα με μήκος κύματος ~μm μέχρι και ~nm!!! Μη-καταστρεπτικός χαρακτηρισμός νανοδομών με τεράστια χωροχρονική ακρίβεια και σε βάθος που το φως δεν διεισδύει και οι ακτίνες-x είναι καταστρεπτικές Δυνατότητα μελέτης νέων υλικών και των θερμομηχανικών τους ιδιοτήτων σε ακραίες συνθήκες. Υλικά χρήσιμα για χρήση σε δύσκολα περιβάλλοντα! Μελέτη υλικών για το εσωτερικό των αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης και σχάσης Δυνατότητες Ιατρικών Εφαρμογών (απεικόνιση, drug delivery, θερμοθεραπίες) σε επίπεδο κυττάρου

5 The scheme Short Pulse Laser Material A material is irradiated with a short laser pulse Absorption of the laser pulse results in an increased localized temperature Local thermal expansion, thermal stresses Generation of ultrasonic waves in the solid in all directions outward the generation site.

6 Nanosecond laser excitation: Monitoring spatio-tempotal evolution of solid surfaces

7 The combined method A new integrated technique is presented based on the combination of: Laser interferometric methods The finite element analysis for the study of laser-generated surface acoustic waves (SAWs) in metallic thin films on dielectric substrates. Dynamic imaging interferometric system: ns single-longitudinal mode laser pulses, direct, real-time whole-field imaging Significant advantage over single-point techniques where extended scanning of the surface is required. Finite Element Method (FEM): versatile and flexible substantial insights into key physical quantities of the laser-matter interaction clear view of SAWs generation and propagation. Study of the matter properties exposed to laser sources Determination of values for key physical quantities Extraction of detailed information of temperature gradients, transformations, stresses, etc. for various time steps via the validated FEM model

8 The Experimental Method The experimental set-up for whole-field, dynamic imaging interferometry Single longitudinal mode laser with external seeder M-Mirrors, BS-Beam-Splitters, L-Lenses, SA-Sample, Din-Input for the variable optical delay, Dout-Output of the variable optical delay, CCD-14-bit camera. Interferograms is recorded at various optical delays in the presence of the induced SAWs. Interferograms are recorded both before and after the pump pulses, to monitor for any permanent damage to the sample surface. Capabilities of outof-plane resolution of ~1 nm! and x-y surface resolution of few μm

9 Η πλήρης διάταξη

10 Παραγωγή SAWs fs laser ανίχνευση με ns laser Συγχρονισμός των δύο διαφορετικών πηγών Επιλογή 1 μόνο παλμού από ακολουθία των 1kHz παλμών

11 Μέτρηση προφίλ επιφάνειας με χρήση συμβολομετρίας λευκού φωτός Επεξεργασία της έντασης κάθε εικονοστοιχείου ως συνάρτηση της μετατόπισης του κατόπτρου αναφοράς από τον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο 500

12 Ηλεκτρονικές διατάξεις & συγχρονισμός μετρήσεων Παραγωγή & Ανίχνευση SAWs με Παραγωγή πηγή παλμών SAWs ns με laser χρήση πηγής παλμών fs laser & ανίχνευσή του με χρήση πηγής ns laser

13 Επεξεργασία συμβολογραμμάτων φάσης Καταγραφή ολικού πεδίου (στιγμιότυπo!)

14 Επεξεργασία συμβολογραμμάτων φάσης (Εισαγωγή & Φιλτράρισμα βοηθητικής χωρικής συχνότητας) Συμβολογράφημα 2D χωρικό FFT/ filtering

15 Επεξεργασία συμβολογραμμάτων φάσης (Αντιστροφή FFT) Αντίστροφος FFT Έχοντας μόνο την πληροφορία των επιλεγμένων συχνοτήτων

16 Επεξεργασία συμβολογραμμάτων φάσης (Ξεδίπλωμα φασικής πληροφορίας ) Ανακτώντας τις πληροφορίες που περιέχονται στην φάση Ξεδίπλωμα φάσης (Phase Unwrapping) Μετατροπή σε μετατοπίσεις της επιφάνειας d 4

17 Επεξεργασία συμβολογραμμάτων φάσης (Μέτρηση επιφανειακών παραμορφώσεων)

18 Δυνατότητες Μεθοδολογιών που Αναπτύχθηκαν o o o o o o o Εγκάρσια διακριτική ικανότητα (z) ~1nm!!! Διακριτική ικανότητα (x,y) ~1 μm Δυνατότητες μερικών οπτικών χρονικών καθυστερήσεων (για διέγερση με πηγή παλμών laser ns διάρκειας Πολλαπλές χρονικές καθυστερήσεις για διέγερση με πηγή παλμών laser fs διάρκειας Ηλεκτρονική καταγραφή μεγάλης ακρίβειας Καταγραφή & επεξεργασία πραγματικού χρόνου (2-3sec) Χαρτογράφηση προφίλ μονίμων παραμορφώσεων έως 30μm

19 Typical results I Δt = 25ns Δt = 33ns Δt = 33ns Δt = 17ns Δt = 25ns

20 Typical results II INCREASING FLUENCE INCREASING Δt

21 White-light tomography for investigation of permanent deformations (ablation crater) Permanent features FEM model experimental results comparison for permanent deformations Ablation depth as a function of the pump laser fluence, theory: solid red dots, experiment: solid squares. Crater radius as a function of the pump laser fluence, theory: open red circles, experiment: open squares

22 Depth of SAWs after ns and fs excitation Experimental set-up Preliminary results of SAWs Rayleigh wave propagation on Au through surface scratches, aftes ns (top) and fs (bottom) excitation Δt = 44ns Δt = 115ns

23 Κινηματογράφηση SAWs δημιουργούμενων από πηγή παλμών laser fs διάρκειας σε απλά υλικά

24 Μελέτη απλών υλικών με δομικές ατέλειες Πηγή ns laser Πηγή fs laser Δοκίμιο: Au 600 nm σε βάση γυαλιού BK7 Ατέλειες: Ρωγμή πλάτους ~10 μm Βάθος: >0,6 mm Delay: 44 nsec Δοκίμιο: Au 600 nm σε βάση γυαλιού BK7 Ατέλειες: Ρωγμή πλάτους ~10 μm Βάθος: >0,6 mm Delay: 75 nsec

25 Μικροακουστική επιφανειακών κυμάτων Πηγή fs laser Δοκίμιο: Au 500nm σε βάση γυαλιού BK7 Ατέλειες: Ακουστικά διαφράγματα πλάτους ~60μm Βάθος: ~10 μm Delay: 112 nsec Δοκίμιο: Au 500nm σε βάση γυαλιού BK7 Ατέλειες: Ακουστικά διαφράγματα πλάτους ~70μm Βάθος: ~10 μm Delay: 122 nsec

26 Επίδειξη χρήσης SAWs στη μελέτη σύνθετων υλικών Δοκίμιο: Εποξικής ρητίνης πάχους ~200 μm σε βάση γυαλιού Επίστρωση: Au ~100nm Δοκίμιο: PMMA (35000Mw) πάχους ~1,6 μm σε βάση γυαλιού BK7 Επίστρωση: Au ~100 nm Amplitude (nm) SAWs Amplitude vs Delay at 50μJ Epoxy Resin PMMA Delay (ns) Velocity (m/s) SAWs Velocity vs Delay for energy 50μJ Epoxy Resin Delay (ns) PMMA

27 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΔΙΑΜΗΚΩΝ ΑΚΟΥΣΤΙΚΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΥΛΙΚΑ ΜΕ fs LASER Πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα παραπάνω για τον χαρακτηρισμό υλικών Μηχανικά ακουστικά κύματα με μήκος κύματος ~μm μέχρι και ~nm!!! Μη-καταστρεπτικός χαρακτηρισμός νανοδομών με τεράστια χωροχρονική ακρίβεια και σε βάθος που το φως δεν διεισδύει και οι ακτίνες-x είναι καταστρεπτικές Δυνατότητα μελέτης νέων υλικών και των θερμομηχανικών τους ιδιοτήτων σε extreme συνθήκες. Υλικά χρήσιμα για χρήση σε δύσκολα περιβάλλοντα! Μελέτη υλικών για το εσωτερικό των αντιδραστήρων πυρηνικής σύντηξης και σχάσης Δυνατότητες Ιατρικών Εφαρμογών σε επίπεδο κυττάρου

28 People and Publications Experiments: Y. Orphanos, M. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis, N.A. Papadogiannis Theory: V. Dimitriou, E. Kaselouris, I. Nikolos, N. A. Papadogiannis 1. V. Dimitriou, E. Kaselouris, Y. Orphanos, M. Bakarezos, N. Vainos, I.K. Nikolos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis The thermo-mechanical behavior of thin metal films under nanosecond laser pulse excitation above the thermoelastic regime Applied Physics A: Materials Science & Processing 118, 739 (2015) 2. Y. Orphanos, V. Dimitriou, E. Kaselouris, E. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis An integrated method for material properties characterization based on pulsed laser generated surface acoustic waves Microelectronic Engineering 112, 249 (2013) 3. V. Dimitriou, E. Kaselouris, Y. Orphanos, M. Bakarezos, N. Vainos, M. Tatarakis, and N.A. Papadogiannis Three dimensional transient behavior of thin films surface under pulsed laser excitation Applied Physics Letters 103, (2013) 4. E. Kaselouris, I.K. Nikolos, Y. Orphanos, M. Bakarezos, N.A. Papadogiannis, M. Tatarakis and V. Dimitriou Elastoplastic study of nanosecond-pulsed laser interaction with metallic films using 3D multiphysics fem modeling International Journal of Damage Mechanics, DOI: / (2015) 5. E. Kaselouris, I.K. Nikolos, Y. Orphanos, M. Bakarezos, N.A. Papadogiannis, M. Tatarakis and V. Dimitriou A review of simulation methods of laser matter interactions focused on nanosecond laser pulsed systems Journal of Multiscale Modelling 5, (2013)

29 Femtosecond laser excitation: Ultrafast nanoacoustics at extremely high frequencies

30 Motivation (a) Ultrafast laser-generated nano-acoustical strain waves in materials are localized, short-lived lattice vibrations with many applications (b) Interest to use these strain waves for the dynamic characterization of nano-scale thermo-mechanical properties of materials under harsh environments, for example under electromagnetic and particle irradiation produced in fusion reaction chambers. The generation of very high-amplitude strain waves and their control at ultrafast time scales via shaped laser pulses is of significant importance.

31 Ultrafast laser excitation of metal filmsubstrate systems Electron dynamics J. Hohlfeld et al., Chem. Phys. 251, 237 (2000) Lattice dynamics (a) Non-thermal electron excitation (b) Electron thermalization (via e-e & e-ph) (c) Electron-lattice thermal equilibrium 1. Laser-induced strain 2. Strain propagation 3. Strain reflection from interface 4. Detection of strain at surface (echo)

32 In search of the best metallic transducer Why is Ti ideal for the study of ultrafast laser-induced thermo-mechanics? Very large electron-phonon coupling factor, G: Fast electron-lattice thermalization: distinguish between electron and lattice dynamics More efficient energy conversion of optical energy into thermo-mechanical strain Ti Au Z. Lin, L.V. Zhigilei, and V. Celli, Phys. Rev. B 77, (2008) High stress yield: High melting point Large strains with no lattice damage Ideal as internal coating of nuclear reactor chambers Ideal as a buffer material for cooling in bi-layer metal-substrate systems

33 Degenerate pump-probe transient reflectivity set-up Brillouin scattering observation through interference

34 Observing giant nano-acoustical strains Study of the transducer s nature: Ti transducer create order of magnitude higher Brillouin oscillations than Ag. Results attributed mainly to: a) ~20 times higher electron-phonon coupling coefficient, b) to high acoustic impedance matching between Ti and Si and c) to the high compressive yield strength of the Ti Study of the transducer s thickness: Interplay between the probe laser penetration length for the strain probing and the strain generation. Best film thickness seems to be around the penetration depth Important note: Ti as a transducer material allowing for strain detection using a laser probe wavelength (λ ~795 nm) which is away from the direct band gap value of Si at 3.4 ev where the Si acousto-optic coupling coefficients are higher. Probing: no need for laser frequency doubling or white light generation.

35 Theoretical Model I A revised version of the extended Two-Temperature Model (TTM) is used to account for the early and transient interaction of the non-thermal electron distribution with the electron and lattice baths (2) (2) T e (2) (2) (2) (2) (2) U Ce ke Te -G Te -TL t t T U C G T T T (2) 3 (2) L (2) (2) (2) el (2) (2) (2) (2) (2) L e - L (3 2 ) L jj t t j1 T C k T T (3) 3 (3) L (3) (3) (3) (3) (3) (3) (3) L L L - (3 2 ) L jj t j1 t U 2 ln 2 ee A J t U el h t 1 0 dm 1 exp p 1 2 z t t0 1 H ( ) ee t t dz 1 t ( p ) 0 HeL t t exp 4 ln 2 exp dt ee e and L are associated with electrons and lattice, respectively, k e is the thermal conductivity of the electrons. C e and C L are the heat capacity of electrons and lattice, respectively, G is the electron-phonon coupling factor while superscripts i correspond to the Ag/Ti (i = 2) and Si materials (i = 3), respectively, and T 0 = 300 K. ε jj correspond to components of thermally induced strains, J is the laser fluence, t p is the laser pulse duration, A is the absorbance, d m is the metal film thickness, Λ is the ballistic depth α is the absorption coefficient and t 0 = 3t p while H ee and H ep are functions that contain details and parameters related to the transient creation of non-thermal electron distribution

36 Theoretical Model II Connection with elastic theory Spatio-temporal distribution of thermally induced lattice displacement v: v v t z 2 (i) 2 (i) (i) (i) (i) (i) (i) (2) ( 2 ) (3 2 ) 2 2 (i) T L t The strain and stress along the z-axis are given by the expressions: (i) (i) v (i) (i) (i) (i) (i) (i) (2) (i), z ( 2 ) (3 2 ) TL T z 0 λ, μ, and α' are the Lamé constant, shear modulus and thermal expansion coefficients of the materials.

37 Theoretical Model Results Electron and Lattice Temperatures on surface Ti Ag Calculated strain pulse distribution in 25 nm metal/si systems as a function of depth, at different time instants. Solid blue and dot-dashed red lines correspond to Ti/Si and Ag/Si cases, respectively. Vertical dashed line corresponds to the metal/si interface position. Spatio-temporal evolution of Lattice Temperature Ti Ag The model predicts: The fast electron relaxation in Ti compare to Ag (~10 times faster) The higher lattice temperature of Ti compare to Ag (~1.5 higher) The higher strain generation in Si when Ti transducer is used compare to Ag (~4 times higher). For 25 nm thick Ti films the amplitude of the acoustic strain has peak values ~0.01, corresponding to a compressional stress of ~1.7 GPa! and has a localization od the order of 30 nm.

38 Προφιλομετρία και Εξαγωγή φωτοελαστικών σταθερών Υλικών σε φιλμ Ti 180nm Rsignal V Time delay ps

39 Is it possible to optically control these strain waves?

40 CPA technique in femtosecond lasers The CPA technique

41 Linearly chirped laser pulses d inst 2C dt G t Electric field slowly varying part C: chirp parameter (dimensionless) C < 0 positive chirp C = 0 no chirp C > 0 negative chirp chirp τ G : laser pulse duration (@ 1/e) ω inst : instantaneous laser frequency ω 0 : laser carrier frequency D OPT Optimal distance Fourier transform limited (FTL) pulses D negative > D OPT > D positive μm translation stage

42 G Determining the value of C via second-order interferometric autocorrelation C 3 C 2 ( ) 1 2 exp 4 exp cos cos exp 1 C cos G 4 G 2 G G Fourier transformlimited pulses τ GJ = 30fs C = 20, τ GJ = 390fs GJ G / 2

43 Is it possible to optically control these strain waves? Let s try varying the laser pulse chirp!

44 Varying the laser chirp I 25nm Ti film on Si (100) unchirped: C = 0, τ GJ = 30 fs negatively chirped: C = 21, τ GJ = 440 fs positively chirped: C = 20, τ GJ = 390 fs

45 Including laser pulse chirp in the extended TTM: cttm U t U ee el chirped J 0 2 B t 2 ( ) 2 0 z A t C t t ( ) 0 exp t t H 4ln 2 ee t t exp 2 1 exp dz dt ( ) 0 dm GJ p 0 HeL t t Calibration factor: B 1 2 p p 1 2C 2 ln GJ p GJ 3 2 ln 2 Taking into account in the absorption coefficient the singlephoton quantum efficiency within Ti DOS and the laser pulse instantaneous frequency: A( t) A (, T ) 0 inst e0 f (, T ) 1 f (, T ) DOS d e inst e f (, T ) 1 f (, T ) DOS d e0 inst e0

46 cttm results Calculated 30ps Strain pulse fully inside Si Negative chirp more efficient! Calculated electron and lattice Ti surface Negative chirp induces higher lattice temperatures at e-ph thermal equilibrium!

47 Physical interpretation The physics take place in the metallic transducer Negative Chirp, The blue photons first 1,2 f(e) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 f(e) Non-thermal electrons in higher energies leads to high electron temperature 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1,2 f(e) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 E ,2 f(e) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 E Positive Chirp The red photons first Non-thermal electrons in lower energies leads to moderate electron temperature E600 0 E

48 Conclusions Generation of giant acoustic strains in Si via proper choice of the metal transducer nature and geometry Localized and short live nano-acoustical strains proper for material characterization Optical Control of the nano-acoustical strains by varying the chirp of the generated ultrashort laser Negative chirp gives the higher strain Extended Two Temperature Model to include the laser chirp

49 Experiments: I. Tzianaki, M. Bakarezos, T. Loukakos, S. Petrakis, Y. Orfanos, C. Kosmidis, P. Patsalas, M. Tatarakis, N. A. Papadogiannis Theory: G. Tsibidis, N. A. Papadogiannis People and References References for further reading: E. Tzianaki, M. Bakarezos, G. D. Tsibidis, Y. Orphanos, P. A. Loukakos, C. Kosmidis, P. Patsalas, M. Tatarakis, and N. A. Papadogiannis High acoustic strains in Si through ultrafast laser excitation of Ti thin-film transducers Optics Express 23, (2015) E. Tzianaki, M. Bakarezos, G. D. Tsibidis, S. Petrakis, P. A. Loukakos, C. Kosmidis, M. Tatarakis and N. A. Papadogiannis, Controlling nanoscale acoustic strains in silicon using chirped femtosecond laser pulses, Appl. Phys. Lett. 108, (2016)

50