Abklingende Feld Basierend Photoakustik: Optische Objektbewertung an Oberflächen

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Protokoll Material zu schätzen und die optischen Eigenschaften der Oberfläche der photoakustischen Effekt kombiniert mit interner Totalreflexion verwendet wird. Diese Technik abklingende Feld-basierte Photoakustik kann verwendet werden, um eine photo-akustischen Messsystem zu schaffen Materialien "Dicken, Bulk- und Dünnfilmbrechungsindizes zu schätzen, und erforschen ihre optischen Eigenschaften.

Zusammenfassung

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. Optical property evaluation of thin films and the surfaces of bulk materials is an important step in understanding new optical material systems and their applications. The method presented can estimate thickness, refractive index, and use absorptive properties of materials for detection. This metrology system uses evanescent field-based photoacoustics (EFPA), a field of research based upon the interaction of an evanescent field with the photoacoustic effect. This interaction and its resulting family of techniques allow the technique to probe optical properties within a few hundred nanometers of the sample surface. This optical near field allows for the highly accurate estimation of material properties on the same scale as the field itself such as refractive index and film thickness. With the use of EFPA and its sub techniques such as total internal reflection photoacoustic spectroscopy (TIRPAS) and optical tunneling photoacoustic spectroscopy (OTPAS), it is possible to evaluate a material at the nanoscale in a consolidated instrument without the need for many instruments and experiments that may be cost prohibitive.

Einleitung

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 ((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.

Im Gegensatz zu TIRPAS jedoch in PAS / TIRPAS Refraktometrie die primäre Gleichung Gesetz Snell lautet:

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.

Protokoll

1. Einrichten des Systems

1. Verwenden Sie Cyanacrylat Epoxy einen Durchmesser von 9 mm, 1 mm dicken roten Latex Gummizylinder auf der Vorderseite eines 10-MHz-Ultraschall-Wandler und verwenden Sie Cyanacrylat Epoxid haften einen Durchmesser von 9 mm, 1 mm dicken roten Latex Gummizylinder zu einer Dicke von 6 mm einzuhalten Acrylblock, der dann auf die gleiche Weise mit dem Referenzultraschallwandler epoxidierten als akustischer Abstandshalter zu fungieren.
2. Stellen Sie einen optischen Zug nach oben, die einen Strahl-Expander muss zuerst durch den Laser getroffen zu werden. Dann legen Sie eine manuell einstellbare Blende Sekunde. Verwenden Sie schließlich einen polarisierenden Strahlteilerwürfel als drittes Element und platzieren Sie den Ultraschallwandler nicht in der EFPA Prismenhalter und den Wandler in der EFPA Prismenhalter an jedem Ausgang des nicht polarisierenden Strahlteiler.
   Hinweis: Der polarisierende Strahlteilerwürfel verwendet wird, eine reine, einzelne Polarisation für die Anregung, um sicherzustellen, wie dies für die ordnungsgemäße Funktionalität aller EFPA Techniken kritisch ist.
3. Erweitern Sie den outgoing Laserstrahl Linsen einen Strahlaufweiter mindestens 3X aus dem q-geschalteten ND zu erzeugen: YAG-Laser.
   Hinweis: Der Strahl absichtlich überdimensioniert ist im Vergleich zu dem Latexgummi-Absorbers auf dem Probengeber, um eine geeignete Sensorfunktion trotz Laserlicht, um sicherzustellen, wegzug aufgrund Brechung durch das Prisma bei variierenden Einfallswinkeln.
4. Richten Sie den optischen Zug und EFPA Prismenhalter so, dass die flache Seite des Trägers am nächsten zu dem Prisma wird auf einen Winkel von 0 ° mit einer digitalen Ebene eingestellt werden. Dies gewährleistet eine korrekte Ausgangspunkt für die Winkelspektrum-Daten, die während der Experimente gesammelt wird.
5. Verbinden und Leistung auf externen Geräten wie dem Oszilloskop, Schrittmotor-Treiber auf dem Computer, den Ultraschallwandlern und XY-Tisch-Motoren. Körperlich verbinden den Wandler nicht in der EFPA Prisma Ch0 montieren und körperlich der Wandler in dem Prisma Ch1 über 50-Ohm-BNC-Kabel montieren EFPA anschließen. Die Software ist so vorprogrammiert, ein zu erkennencoustic Signale von diesen spezifischen Kanälen.

2. EFPA Systeminitialisierung und optische Ausrichtung

1. Manuelle Einstellung der einstellbare Blende den Strahl auf einen Durchmesser von 1 mm zu blockieren.
2. Starten Sie die Programmiersoftware (zB LabVIEW), den Winkel zu 70 ° auf den grünen "Bewegung" drücken , um den Berg auf den Winkel , die für 70 ° Anregung bei der Prisma / Probe - Schnittstelle zu bewegen.
3. Unter Verwendung geeigneter Laserschutzbrille (OD 7+ bei 532 nm), schauen Sie in das Prisma von der Seite senkrecht zum Laserstrahl und manuell die Bühne in X- und Y-Achse bewegen, die Handräder, bis das 1 mm Laserpunkt fluoreszierend sichtbar ist auf dem Kautschuklatex. Sicherstellen, dass der Strahl auf dem Latex zentriert ist.
4. Erweitern Sie die manuell einstellbare Blende auf seine maximale Öffnung und Blick auf die laufenden Frontplatte des Programms zu gewährleisten, sowohl die Laserenergiemessung photo-akustischen Signals von der EFPA Prisma Halterung (rot line) und das photoakustische Signal von der Laserenergiemessseite (weiße Linie) sichtbar sind und ungefähr die gleiche Amplitude.
5. Beenden Sie das Programm, indem Sie die "STOP" -Taste drücken.
   Hinweis: Wenn die Taste nicht gedrückt wird das Prisma manuell, bevor Sie die Prüfung fortgesetzt zurückgesetzt werden müssen. Sobald die Initialisierung Protokoll abgeschlossen ist, TIRPAS, PAS / TIRPAS Refraktometrie oder OTPAS durchgeführt werden.

3. TIRPAS Technik

1. Platzieren des Prismas in dem Kunststoffprisma Montageadapter wie in Figur 3 gezeigt ist . Als nächstes legen 2,5 ul Sionsöl Index auf den Typ des Prismas angepaßten verwendet, auf die Mitte des Prismas und Sandwich , das Öl durch ein Substrat auf der Oberseite der Platzierungs Ölschicht.
2. Platzieren 25 ul Probe auf dem Latexgummi verbunden mit dem Wandler in der EFPA Wandlerhalterung , wie in 3 gezeigt ist, so dass es überzieht die gesamte Oberfläche ohne Blasenbildung. Die Probe kannsein, jede optisch absorbierenden Material wie beispielsweise einer Lösung von Farbstoff, einer biologischen Flüssigkeit oder eines Analyten in einer Lösung suspendiert. Keine Vorbereitung der Probe erforderlich ist. Komprimiert das Prisma montieren und ziehen Sie die Halterung zusammen mit Schrauben an einem eingestellten Drehmoment von 16,75 g / mm für jede Schraube.
3. Wählen Sie die Registerkarte "Setup" und wählen Sie "Setup" in der Drop-Down-Menü.
4. Führen Sie das Programm mit dem Titel OTPAS Dünnfilm analyzer_USB-5133.vi (Supplementary File).
5. Sehen Sie das akustische Signal von der Probe erzeugt wird, wie in Abbildung 4 dargestellt.
   Hinweis: Der Einfallswinkel geändert werden kann, um die optische Eindringtiefe des evaneszenten Feldes zu steuern, dünnere oder dickere optische Schnitte der Probe zu beobachten.

4. PAS / TIRPAS Refractometry

1. Stellen Sie das Prisma in der Kunststoff - Prismen Mount - Adapter wie in Abbildung 3 gezeigt. Als nächstes legen 2,5 ul des Eintauchens Ölindex auf den Typ des Prismas angepasst verwendet, auf the Mitte des Prismas und sandwichartig das Öl durch ein Substrat auf der Oberseite der Ölschicht platzieren.
2. Legen Sie 25 ul Probe auf das Gummiteil an den Wandler in der EFPA Wandler verbunden befestigen , wie in Abbildung 3 dargestellt. Komprimiert das Prisma montieren und ziehen Sie die Halterung zusammen mit Befestigungsschrauben mit einem eingestellten Drehmoment von 16,75 g / mm für jede Schraube.
3. Wählen Sie den "Winkelspektrum" und wählen Sie "Winkelspektrum" auf das Drop-Down-Menü. Danach geben die entsprechenden Parameter in das Programm , wie in Tabelle 1 gezeigt.
4. Führen Sie das Programm und warten Sie, bis das Winkelspektrum abgeschlossen ist, und das Programm ist beendet.
5. Rechtsklick auf das Winkelspektrum Diagramm und wählen Sie "Export → Daten nach Excel exportieren", um die Daten zu speichern und die CSV-Datei zu öffnen.
   1. Öffnen Sie diese Daten in einem Grafikprogramm (zB KaleidaGraph), und führen Sie eine numerische Ableitung darauf klicken auf "Makros" und Auswählen von & #34; Derivative Ok "". Geben Sie die entsprechenden Spalten der Ableitung auf und drücken zu nehmen "und die numerische Ableitung wird berechnet werden.
   2. Zeichnen Sie die numerische Ableitung vs. Winkel und wählen Sie "Kurvenanpassung". Wählen Sie die "Smooth" Option ^5,18,98 und wählen Sie das Kontrollkästchen der Daten unter "Kurvenanpassung Auswahlen" passen Rauschen aus den Daten zu glätten. Wählen Sie den Pfeil nach unten unter "Ansicht" und wählen Sie "Kopieren Kurvenanpassung Datenfenster", um die Kurvenanpassung Daten in eine andere Spalte extrahieren.
6. suchen Sie manuell durch die Kurvenanpassung das lokale Minimum und der entsprechenden Einfallswinkel zu finden, die einen Übergang von der PAS zu TIRPAS Regime angibt. Dieses Minimum entspricht dem kritischen Winkel gemessen, wie in 5 gezeigt. Die Gleichung n = _Probe unter Verwendung von n - _Prisma sin θ _c, an der Welle die bulk Brechungsindex der unbekannten Probe errechnenLänge für Laserabfrage verwendet. Typische Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

5. OTPAS

1. Platzieren 2,5 ul Sionsöl (Index angepaßt Glasart verwendet wird) auf der Mitte des Prismas.
2. Platzieren der Folie oder dem Substrat zu prüfenden Folienseite nach oben (weg vom Prisma) und sicherzustellen, dass keine Blasen während der Platzierung ausgebildet.
   Hinweis: Wenn sich Blasen bilden, zu entfernen Probenfilm oder Substrat und erneut versuchen, Anwendung.
3. Legen Sie 25 ul Sionsöl auf dem Latex-Gummi, so dass die Sionsöl bedeckt die gesamte Oberfläche ohne Blasenbildung.
4. Komprimiert die Substrat / Filmschichten , wie in Abbildung 3 dargestellt. Ziehen Sie die Befestigungsschrauben mit einem eingestellten Drehmoment von 16,75 g / mm , die für jede Schraube identisch sein muss.
   Hinweis: Drehmomentschlüssel in Protokoll ist in oz.-in. also 16,75 g / mm ~ 15 oz.-in.
5. Wählen Sie den "Winkelspektrum" und wählen Sie "Winkelspektrum" auf den Dropdown-Männeru. Danach geben die entsprechenden Parameter in das Programm , wie in Tabelle 3 gezeigt.
6. Führen Sie das Programm und warten Sie, bis das Winkelspektrum abgeschlossen ist, und das Programm ist beendet.
7. Wiederholung der Prüfung durch die Schritte 5.1-5.6 Durchführen des Substrats oder des Films unter Verwendung von (je nachdem , was vorher nicht durchgeführt wurde) , wie in 6 gezeigt.
8. Wählen Sie "Kurvenanpassung" in dem Dropdown-Feld und wählen Sie die "Kurvenanpassung" aus. Danach geben als die entsprechenden Parameter in Tabelle 5 gezeigt. Die Scan - Film Wählen Sie unter "Sample". Wählen Sie das Substrat Scan unter "Substrat".
9. Eingabe der Brechungsindex, Polarisation, und andere Optionen für die Scans zuvor in Schritten ausgeführt 5.1-5.6 wie in Tabelle 4 gezeigt.
10. Führen Sie das Programm von "Kurvenanpassung" in der Drop-Down-Box und wählen Sie die "Kurvenanpassung" Auswahl der Registerkarte. Beachten Sie den Brechungsindex und der Dicke unter. 4, Film RI "und" Dicke des Films "an der oberen rechten Ecke der grafischen Benutzeroberfläche des Programms gezeigt Typische Daten sind in 7 gezeigt.
11. Verwenden Sie die "Batch-fit" Option viele Scans auf einmal passen, indem die Anzahl der Scans zu Charge fit Eingabe und eine CSV-Datei zur Ausgabe der Auswahl der Daten und wiederholen Sie den Schritt 5.10.
    Hinweis: Wenn das Programm ausgeführt wird, wird es jeden Satz von Daten passen und Ausgangs alle Brechungsindex, die Dicke und die Restwerte zu der CSV. Damit dies die Scans zu arbeiten, müssen in einer numerischen Liste sein wie scan_001.csv, Scan 002.csv usw.

Ergebnisse

Die Ergebnisse wurden für TIRPAS, PAS / TIRPAS Refraktometrie und OTPAS , dass die subtechniques innerhalb der EFPA Plattform gezeigt. Abbildung 4 zeigt eine repräsentative TIRPAS akustische Welle , die von einer absorbierenden Probe erzeugt. Die bipolare Natur der akustischen Welle ist charakteristisch für die TIRPAS Technik und zeigt an, dass TIRPAS auftritt. Diese bipolare Wellenform tritt aufgrund der akustischen Reflexion an der Grenzfläche zwischen der Probe und dem Glassubstrat aufgrund einer großen Differenz in der akustischen Impedanz. Für PAS / TIRPAS Refraktometrie Figur 5 und Tabelle 1 erhalten wurde. 5 zeigt das Winkelspektrum und numerische Ableitung für eine Probe erhalten Tests unterzogen , die bulk Brechungsindex zu bestimmen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Verwendung der PAS / TIRPAS Refraktometrie die abzuschätzen bulk Brechungsindex eines Wasser / PEG / Direct red Farbstoffmischung als compaRot auf die Masse Brechungsindex Schätzung eines Standard-Handheld-Refraktometer. Schließlich werden OTPAS Ergebnisse in Figur 7 und der Tabelle 2 gezeigt. 7 zeigt zwei Abbildungen der Winkel Scans , die während OTPAS getroffen werden. Tabelle 2 zeigt einen Vergleich zwischen OTPAS und spektroskopische Ellipsometrie der gleichen Dünnfilmproben.

Abbildung 1. Subtechnologies von EFPA. EFPA besteht derzeit aus drei verschiedenen Unter Technologien. Diese Technologien sind TIRPAS, PAS / TIRPAS Refraktometrie und OTPAS. Jede Technik kann Materialien bewerten abzuleiten oder unterschiedliche Eigenschaften bestimmen. TIRPAS Materialien für Biosensorik Zwecke, PAS / TIRPAS Refraktrometrie wertet bulk Brechungsindex auf der Grundlage ihrer optischen Absorption erkennt, und OTPAS wertet Dünnschicht-Brechungsindex eind Dicke. In TIRPAS erzeugt das Licht über dem kritischen Winkel θ _c eine abklingende Feld , das eine akustische Welle auf die Interaktion mit einem optischen Absorber erzeugen kann. In PAS / TIRPAS Refraktrometrie werden beide TIRPAS und PAS Wellenformen von beiden abklingende Feld photo-akustische Anregung und traditionelle photo-akustische Anregung erhalten. Durch Auftragen können diese beiden Regimen auf einem Winkelspektrum Graph, der Übergangswinkel beobachtet werden, die dann verwendet werden kann, um den Brechungsindex abzuleiten. Schließlich in OTPAS ein Spektrum der akustischen Signale werden mit Laserbestrahlung über dem kritischen Winkel θ _c erhalten sowohl für einen dünnen Film auf einem Substrat und einem blanken Substrat. Durch Anlegen einer nicht-linearen Kurvenanpassungsalgorithmus auf die Daten, die dünne Schichtdicke und Brechungsindex abgeleitet werden. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

. Abbildung 2. EFPA schematische / Foto links: So richten Sie EFPA der Laserstrahl erweitert werden , um den Erfassungsbereich durch die Latex - Gummi bedeckt zu überfüllen. Der Strahl sollte zunächst auf das Prisma in einem Winkel von 45 Grad, wie gezeigt. Rechts:. Foto des Aufbaus der optischen Bahn zeigt Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. Probenbeladung. Die Proben werden mit dem Prisma Herstellung optischer Kontakt über Sionsöl auf das Substrat geladen. In TIRPAS oder PAS / TIRPAS Refraktometrie, direkten Flüssigkeitskontakt mit der Probe auf dem Substrat für die Prüfung erreicht. In OTPAS, die optische Kopplung through zusätzliche Immersionsöl zwischen dem Substrat und rote Latexgummi ermöglicht optischen Tunnel auftreten. Die Halterung wird dann zusammengespannt mit einem Drehmomentschlüssel und Befestigungsschrauben. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. TIRPAS typische Daten. TIRPAS Wellenformen haben in der Regel ein bipolares akustisches Signal Erscheinung , die charakteristisch für die TIRPAS Methode ist. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5. PAS / TIRPAS typische Daten. </ Strong> links: Angular Spektraldaten, die durch Bestrahlen der Probe bei verschiedenen Einfallswinkeln erhalten wird. Rechts: Numerical Derivat der linke Abbildung, die eine lokale Minima angibt, um den Übergang von dem PAS zu TIRPAS Regimen zeigt, die mit der Position des kritischen Winkels wiederum entspricht. Abdruck mit freundlicher Genehmigung. ¹⁸ Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. Programmablaufplan. Das Programm wird in wenigen iterativen Schritten ausgeführt werden. Das Prisma Halterung ist auf Null Grad, und dann werden die Parameter ausgewählt, bevor das Programm ausgeführt wird. Dann wird das Programm ausführen, um eine Winkelspektrum von sowohl einem Substrat und einem Film zu erfassen. Schließlich ist auch eine Kurve an die Daten angepasst, den Film Brechungsindex und der Dicke zu schätzen. Abdruck mit freundlicher Genehmigung. ⁶ Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

. Abbildung 7. OTPAS typische Daten Links: Diese Abbildung zeigt die Winkelspektrum - Scans eines MgF ₂ -Film und einem N-BK7 Substrat verbunden. Rechts: Durch die MgF ₂ -Schicht Winkelspektrum Abtastung durch den N-BK7 Substrat Scan dividiert und mit einem konstanten Faktor beta, dem Grad der optischen Tunnel (%) vs. Einfallswinkel Multiplikation erhalten werden, die für die Abschätzung des Brechungs ermöglicht Index und die Dicke des Dünnfilms. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

PAS / TIRPAS	Probe 1	Probe 2	Probe 3	Probe 4	Probe 5	Atago R-5000
Direkte rot / PEG 125 & mgr; g / ml	1,395	1,395	1,395	1,395	1,395	1,395-1,397
Direkte rot / PEG 250 & mgr; g / ml	1.39	1.39	1.39	1.39	1.39	1,390-1,396
Direkte rot / PEG 500 & mgr; g / ml	1,388	1,389	1,389	1,389	1,389	1,381-1,395
Direkte rot / PEG 750 & mgr; g / ml	1,382	1,382	1,387	1,387	1,387	1,372-1,395
Myoglobin 460 & mgr; g / ml	1,33	1,329	1,331	1,33	1,331	1,335

Tabelle 1. PAS / TIRPAS Ergebnisse. Die folgende Tabelle zeigt typische Ergebnisse für Direct Red Farbstoff mit 50% PEG gemischt in den Brechungsindex zu erhöhen. Abdruck mit freundlicher Genehmigung. ¹⁸

Testtyp	Technik	Filmtyp	Brechungsindex	Dicke (nm)
Intrasample	OTPAS	MgF 2 200 nm	1,384 ± 0,004	203 ± 6
Intrasample	Ellipsometry	MgF 2 200 nm	1,393 ± 0,001	192,4 ± 1,1
Intersample	OTPAS	MgF 2 200 nm	1,395 ± 0,011	220 ± 19
Intersample	Ellipsometrie	MgF 2 200 nm	1,392 ± 0,002	195,2 ± 1,8

Tabelle 2. OTPAS Ergebnisse. Die folgende Tabelle zeigt typische Ergebnisse für 200 nm MgF ₂ dünne Filme in OTPAS vs. spektroskopischer Ellipsometrie. Intrasample bezieht sich ein einzelner Film zehnmal testen, während intersample bezieht sich unabhängig zehn Filme zu testen. Abdruck mit freundlicher Genehmigung. ⁶

Anzahl der Mittelwerte	1	Startwinkel	60	Warmup (min)	0	Brechungsindex (Prisma)	1,519
# Scans	1	Schrittlänge	0,1	Sparen Sie bis zu	"Yourfilename" .csv	Micro #	10
Set Q-Schalter	275	Anschlagwinkel	80	Laser wählen	Surelite	Geschwindigkeit (rpm)	500
Fehlertoleranz (%)	5	Laser - Start	auf	Tiefpassfilter (progRAM)	1,00 x 10 & sup7 ;	Beschleunigung (RPS)	200

Tabelle 3. Winkelspektrum Einstellungen für PAS / TIRPAS Refraktometrie. Die folgende Tabelle zeigt die Einstellungen , die für eine Winkelspektrum in PAS / TIRPAS Refraktometrie.

Anzahl der Mittelwerte	64	Startwinkel	70	Warmup (min)	1	Brechungsindex (Prisma)	1,519
# Scans	1	Schrittlänge	0,1	Sparen Sie bis zu	"Yourfilename &# 8221; .csv	Micro #	10
Set Q-Schalter	275	Anschlagwinkel	72	Laser wählen	Surelite	Geschwindigkeit (rpm)	500
Fehlertoleranz (%)	5	Laser - Start	auf	Tiefpassfilter (Programm)	1,00 x 10 & sup7 ;	Beschleunigung (RPS)	200

Tabelle 4. Winkelspektrum Einstellungen für OTPAS. Die folgende Tabelle zeigt die Einstellungen , die für eine Winkelspektrum in OTPAS.

Niedrigeren Brechungsindex	1	Toleranz	1,00 x 10 -12	Koppler RI	1,519	Das Substrat Daten	Wählen Sie yourfilename.csv
Untere Dicke	0 nm	Refractive Index Vermutung	1.3	Wellenlänge	532 nm	Mehrere Dateien speichern zu	Wählen Sie yourfilename.csv
Obere Dicke	1.000 nm	Dicke Vermutung	200 nm	Polarisation	P polarisiert	Wie viele Dateien	Anzahl der Dateien, die Sie passen
Max Iteration	5000	SubstratRI	1,519	Filmdaten	Wählen Sie yourfilename.csv	Typ fit	Einzelsitz / Batch fit

Tabelle 5. Kurveneinpassungsparametern. Die folgende Tabelle zeigt die Kurvenanpassung notwendigen Parameter für eine korrekte Parameterschätzung.

Ergänzenden Code Datei:. OTPAS Dünnfilm analyzer_USB-5133.vi Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

The use of devices for the characterization of materials at the nanoscale will undoubtedly continue far into the future in order to produce new materials and combinations of materials to solve difficult and costly societal problems. Many methods such as ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), and traditional photoacoustics are currently used to evaluate material properties at the nanoscale despite their inherent limitations due to few alternatives. EFPA shows promise as a consolidated set of techniques that can push beyond the typical limitations of the photoacoustic effect to provide a single instrument to characterize materials at the nanoscale.

The protocol described herein and its associated sub-techniques have the capability to estimate both bulk and thin film refractive indices of a material, film thickness, and have detection capabilities for a variety of biosensing applications. OTPAS specifically has the advantage that it can estimate the thickness and refractive index of nanometer scale films despite the fact that the films themselves do not contain inherently absorbing pigmentation. EFPA as a consolidated set of techniques has a few advantages over techniques such as ellipsometry, atomic force microscopy, and the traditional photoacoustic effect. The first advantage is that EFPA is comparatively inexpensive to set up. A typical EFPA setup can estimate refractive index from both the bulk and surface, can estimate thickness, and can probe absorbing materials and will cost around $5,000 to set up. In contrast, AFM setups cost around $50,000 and cannot estimate optical properties. Secondly, EFPA can estimate these properties within a few minutes without complex interaction such as in ellipsometry where input parameter error can cause differences in results. Finally, EFPA, when compared to the traditional photoacoustic effect, has axial resolution 100X smaller as it can estimate thickness of 200 nm films⁶ whereas the traditional photoacoustic effect is limited to 7,500 nanometers when using similar lasers and setup⁸². Conveniently, almost every material has independent and differing surface and bulk refractive index properties as well as absorptive properties, which collectively make for functional differences in their use in optical research systems.

Critical steps within the protocol come down to three primary considerations. First, optical coupling of the sample, whether that be a liquid or a film, is crucial to obtain reliable and repeatable results. Air bubbles within the immersion oil or sample will lead to inaccurate characterization of the thickness, refractive index, and in some cases a complete lack of sensitivity of the transducer to the excited sample owing to the inability of ultrasound to adequately pass through a liquid/air interface due to vastly differing acoustic impedance values. Second, with regard to OTPAS, a sample that is homogeneously thick in the area irradiated by the laser beam in order to provide consistent thickness values during scanning since as of yet EFPA cannot determine thickness differences within the area of excitation. Finally, again with regard to OTPAS, the sample film must be transparent to the wavelength being used. This is a fundamental assumption made in the mathematical equations that describe how OTPAS finds thickness and refractive index values. If absorption is substantial enough that more than 1% of the incident light is absorbed by the film, characterization will not match the real thickness and refractive index values of the film.

Modifications to the EFPA technique can be made with relative ease and other types of components can be substituted in for more effective scans or functionality. The only major issues that have to be addressed when building an EFPA system are the following. First, it is crucial to have a method of automatically rotating a prism mount and acquiring acoustic signals at small (0.05 degree) increments. Second, having a nanosecond pulse width or shorter laser system to excite samples using the photoacoustic effect. Third, having a graphical user interface or program to acquire the data to do mathematical curve fitting and numerical derivatives for estimating thickness and bulk/thin film refractive index.

There are three fundamental limitations to EFPA. The first is that in order to find the bulk refractive index, thin film refractive index, thickness, or detect materials using TIRPAS, the sample must have a refractive index that is less than that of the prism or substrate it is in contact with so that total internal reflection can occur which is the basis of all three of these techniques. The second limitation is that EFPA currently requires physical contact in order to estimate thickness, refractive index, and for detection of properties. The final limitation is that OTPAS, a sub-technique of EFPA, currently requires optically transparent materials to estimate thickness and refractive index of the thin film of interest.

This type of consolidated instrument could find many applications in characterization environments including research cores and industrial environments. Future work regarding EFPA techniques is focused on the improvement of the refractive index accuracy through improvements in instrumentation and translational/rotational stages. Additional advancements will focus around the improvement of signal-to-noise ratio for the detection of smaller quantities of absorbing materials, so as to characterize weakly absorbing materials, as are found most commonly in biological systems.

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
100 mm plano convex lens	Thorlabs	LA1509	Plano convex lens for beam expander
-30 mm plano concave lens	Thorlabs	LC2679	Plano concave lens for beam expander
10 MHz Ultrasonic transducers	Harisonic	I31006T	Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection, both for laser energy measurement and for OTPAS mount
Immersion oil Type A	Cargille	16482	Index of 1.519 to match that of NBK-7 substrates
Natural latex rubber sheet (red)	McMastercarr	86085K11	Index ~1.519 to match that of Type A immersion liquid to act as an optical absorber to measure optical tunneling and laser energy
Laser goggles	VERE	53	Used to protect eyes from laser light
Cage mounted non polarizing beam splitter cube	Thorlabs	CM1-BS013	Split laser light so that one half can be measured and one half can be used for excitation
Cage mounted polarizing beam splitter cube	Thorlabs	CM1-PBS251	Ensure light is polarized before being used for optical tunneling experiments
Graduated ring activated iris diaphragm	Thorlabs	SM1D12C	Cut beam down to a smaller size for alignment
Data acquisition card	National Instruments	USB-5133	USB oscilloscope to acquire data
Stepper motor driver	National Instruments	MID-7604	Stepper motor driver to drive stepper motors for angular spectra
Sherline XY stage (14”)	Sherline	5600-CNC/5610-CNC	Sherline XY stage
4-jaw self centering chuck	Sherline	1076/1034	Sherline rotational attachment
Right angle attachment	Sherline	3701	Right angle attachment to attach rotational mount
CNC rotary table	Sherline	8730	Rotary table for holding OTPAS prism/sample
Surelite I-20 laser system	Continuum	I-20	Q-switched Nd:YAG laser for exciting samples
NBK-7 prism	Thorlabs	PS911	Right angle prism for EFPA
Adjustable torque wrench	Tohnichi	RTD40Z	Adjustable torque wrench to equally tighten down the EFPA mount for each technique to 16.75 g/mm
Digital level	Micromark	84519	Digital level to ensure EFPA prism holder starts at 0 degree.