사라져가는 필드를 기반 Photoacoustics : 광학 특성 평가 표면에

요약

여기에서 우리는 자료를 추정 총 내부 반사와 결합 된 광 음향 효과를 사용하여 광학 특성을 표면에 프로토콜을 제시한다. 이 기술 산장 기반 photoacoustics 그들의 광학 특성 물질 '두께 벌크 박막의 굴절률을 측정하는 계측 광 음향 시스템을 구축하고 탐색하는데 사용될 수있다.

초록

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.

서문

렌즈에 반사 방지 코팅을 포함한 광학 장치의 호스트 박막 재료의 생성에 새로운 통찰력을 제공 한 ^{1,3,4,6,7,10,13-16} 광학 재료의 이해를 발전 높은 소광비 광 필터 및 높은 흡수 슬래브 도파로 ^(17). 이러한 진보의 반복 개선에 도움 같은 타원 ^4,6,18, 접촉각 측정, 원자력 현미경 ^7,11,19 및 스캔 / 투과형 전자 현미경 등 다양한 특성화 기술의 사용없이 불가능했을 직접 조치 또는 기본 광학 재료 특성의 간접적 인 추정치를 제공함으로써 이러한 기술. 재료는 직접 기능과 광학 애플리케이션에서의 사용에 영향을 미치는 입사 광자와 상호 작용하는 방법 등의 굴절률과 같은 특성, 적용했다. 그러나, 이들 기술들 각각은 한계가있다 resolu 관련능은, 샘플 준비, 비용, 복잡성, 각각 완전히 물질을 특성화하는 데 필요한 데이터의 서브 세트를 생성한다. 즉,이 산장 기반 photoacoustics (EFPA) ^{5,6,15,18,20-49} 알려진 기술의 새로운 세트도 1에 도시 된 바와 같이, 상기되는 통합에 나노 크기 물질의 특성을 추정 할 가능성을 가지고 실험의 집합입니다. EFPA 전반사 광 음향 분광학 (TIRPAS) ^{23,25,26,33-35,43-45} 광 음향 분광학 / 전반사 광 음향 분광 굴절계 (PAS / TIRPAS 굴절계) ^(18), 광 터널, 광 음향의 하위 기술을 포함 분광기 (OTPAS) ^6, 벌크 및 박막의 굴절율, 막 두께를 추정하기 위해뿐만 아니라 프리즘 / 샘플 또는 기판 / 샘플 계면에서 흡수 물질을 검출하기 위해 사용되어왔다.

EFPA 메커니즘을 이해하기 위해, 하나의제 광의 초단 (<마이크로 초)의 펄스의 흡수 (도 1) 다음 발색단의 급속한 열 탄성 팽창에 의해 초음파 압력 파동의 발생을 의미 광 음향 분광학 (PAS)의 개념을 이해한다. 이 논문에 기술 된 광 음향 효과에 대한 이론 및 수학적 프레임 워크는 여기에 ^50-59를 얻을 수있다. 압력의 변화는 생성 된 초음파 트랜스 듀서 또는 마이크로폰에 의해 검출 될 수있다. 원래 알렉산더 그레이엄 벨의 photophone의 발명으로 1880 년에 발견 된 광 음향 효과는, 때문에 레이저와 마이크 기술의 발전으로 1970 년대 초에 "재발견", 결국 박막에 생물 의학 이미징에서 틈새 응용 프로그램을 채우기 위해 실용화되었다 재료의 비파괴 검사에 대한 분석.이 효과는 수학적 일차원 파동 방정식에있어서, 상기 제 설명 될 수 ^{1,53-57,59-82}전자 웨이브는 누구의 압력 (p)를 모두 위치 (x)와 시간 (t)에 따라 다릅니다 간단한 음향 소스입니다 :

양식 ^(64)의 간단한 음향 소스를위한 솔루션

P는 압력, 여기서 Γ는 H _0은 조사량 αv _(S) ² / C α 볼륨 열팽창 계수 _P는 V _(S)는 배지 중 음속이며, C _P가 정압 열용량이다 = 레이저 빔, C는 흥분 매체 소리의 속도이고, X는 길이이고, t는 시간이다. 얻어진 음향 파의 크기 w는 재료의 광 흡수 계수에 직접 _의존을 μHICH는 다시 그것의 초기 광 강도의 1 / K로 감쇠 할 때까지 광이 이동하는 거리의 측정은 광 투과 깊이, δ의 역이다. 식 (1) 일차원 평면파 소스에 대한 일반 식이지만, 일반적인 흡수 입체적 구형 파를 방출한다. 수학적 설명을 넘어 인해 자연적으로 존재하는 발색단 헤모글로빈에 의한 큰 광 흡수에 이러한 현미경, 단층 촬영, 높은 감도를 갖는 광 음향 효과로 인해 심지어 분자 영상과 음향 효과 ⁽⁵⁴⁾ 스팬 많은 영상 방식의 응용 프로그램. 광 음향 효과의 다른 응용 프로그램도 다양한 박막 특성 ^{15,16,20,21,24,26-32,36-39,41,42,56,83,84의} 추정을 포함한다. 그러나 PAS 특정 한계를 가지고있다 : (1) 광범위한 광 투과 깊이는 표면에서 근접장 광학 특성을 검사하는 기능을 제거 (2)를방출 된 음향 에너지를 캡처의 효율성으로 인해 구형 멀리 검출기로부터 에너지의 대부분의 전파 (3) 샘플을 고려 파장 정권에서 발색단을 포함해야합니다으로 낮다.

산장 기반 기술과 결합 될 때, 그러나, 이러한 제한 사항의 많은 개선 될 수있다. 빛의 빔이 내부 전반사 (TIR)​​를 겪는 경우도 광섬유 도파로가 계산 및 통신 애플리케이션을위한 조명 큰 거리 (km)를 안내 할 수 있습니다 효과 스넬의 법칙에 의해 설명 된대로 산장이 발생합니다. 실제 응용에서, 산장 감쇠 총 반사 분광법 (ATR)을 포함한 특성 및 이미징 기술의 다양한 사용된다. 이미징 관심 샘플에 제 수백 나노 미터 이내에 의한 광 가둠을 높은 콘트라스트로 얻을 수있다. 소멸 필드는 exponentiall의 형태를 취한다수학 식 3 및 4에 도시 된 바와 같이 파장 정도의 통상적 인 광 투과 깊이를 외부 매체에 연장 Y 감쇠 필드 (보통 ~ 500 nm 이하)를 사용된다.

I 프리즘 / 샘플 인터페이스에서 위치를 z %의 광 강도이고, I ₀ 계면 %의 초기 광 강도이며, Z는 나노 미터의 거리이고, δ _{P는 수학} 식에 나타낸 바와 같이, 광 투과 깊이 같은 작은 광학 침투 깊이와 4. 소멸 필드는 두 물질의 인터페이스에 매우 근접, 잘 광학 및 음향 회절 한계 아래의 환경과 상호 작용 할 수있다. 이 범위 내에서 물질이나 입자의 광학 ^특성은, 방법 ^(3)의 종류에 의해 검출 될 수있는 상호 작용의 생성, 변경 필드를 교란하거나 수도5,6,10,15,17,18,21,23,25-27,29-47,84-95.

소산 기술은 PAS와 혼합 될 때, 생성되는 광 음향 파형이도 1에 도시 된 바와 같이 기초 photoacoustics는 기술 (EFPA) 패밀리. 패밀리 포함 소멸 필드를 생성 소멸 필드와 상호 작용하는 물질 또는 입자를 특성화하는데 사용될 수있다 하지만, 전반사 광 음향 분광학 (TIRPAS), 광 터널, 광 음향 분광학 (OTPAS) 및 표면 플라즈몬 공명 광 음향 분광학 (SPRPAS)에 한정되지 않는다. 관심있는 독자는 TIRPAS ^{5,6,18,23,25,26,33-35,43-47,} PAS / TIRPAS의 굴절계 ^(18)에 사용되는 방정식의 유도를 위해 다음 참조를 참조하고, OTPAS ^6한다. 각각의 경우에, 광 음향 효과는 프리즘을 통해 간단한 투과율 상이한 여기 메커니즘을 통해 생성된다; 예를 들어, TIRPAS에서 빛이 순간적이며SPRPAS에서 음원의 기본 모드 인 표면 플라즈몬의 흡수를 통해 대신 반면 (샘플 재료 자체 또는 샘플 내의 게스트 분자를 포함 할 수있다)가 발색단에 프리즘 / 기판 / 샘플 인터페이스를 통해 연결된 보조 EM 파 소멸 필드의 에너지가 상기 프리즘 표면 상에 증착 된 금속층의 전자 구름에 전송할 때 생성. 기술의 가족은 원래 Hinoue 등.에 의해 1980 년대 초반에 발명 및 T. 이나가키 등에 의해에 개선. SPRPAS의 발명,하지만 인해 광원 및 사용 가능한 탐지 장비의 기술적 한계에 거의 개발을 보았다 . (: YAG nd)이 레이저 최근 이전 조사 감도 및 유틸리티 현대 폴리 불화 비닐 리덴 (PVDF), 초음파 탐지기 Q- 스위치 네오디뮴 도핑 된 이트륨 알루미늄 가넷 가능 증가 된 것으로 나타났다. 특히, 노스 다코타 나노초 - 펄스 : YAG레이저는 소재와 인터페이스 ^{5,6,15,18,21-29,31-47,84의} 다양한 광학 특성을 평가하기위한 유용한 도구가 될 EFPA 기술을 가능하게 피크 전력의 ¹⁰⁶ 배의 증가를 초래 ^96. 또한, 이전의 연구는 또한 인해 비교적 큰 침투 깊이 ^53,55,57,59 전통적인 광 음향 분광법 (PAS) 기술로 달성 이전에 결코 계면에서 물질에 대한 구성 정보를 결정하기 위해 이러한 기술의 능력을 ^보여 주었다 ^{61,62,69,73,75,80,81.}

이 기능은 OTPAS 기술에서 다음 프로토콜에 표시됩니다; 그러나,보다 근본적인 수준에서 세 가지 방법은 각 기술의 능력을 결정하는 다른 결정적인 식에 의존한다. 예를 들어, TIRPAS, 소멸 필드의 광 투과 깊이, δ _'P에서 주로 생성 된 음향을 구동흡수 샘플 신호 강도를,에 의해 설명된다 :

λ ₁ 프리즘 매체를 통해 이동하는 광의 파장과 관계 λ에 의해 정의된다 λ = ₁ / _{N, 1} N _(1)이 프리즘 재료의 굴절률이고. 또한, θ는 자극의 각도를 지칭하며, N _(21)는 각 매체의 굴절률의 비율을 의미하고, _{N이 샘플} 재료의 굴절률이고 N ₂₁ = N ₂ / N _(1)에 의해 정의된다. 광 투과 깊이가 클수록, 더 많은 물질을 조사한다. 광 음향 효과, 광 침투 깊이 더 큰, 더 많은 물질은 더 큰 음향 신호로 이어지는 음향 파를 생성 할 수 있습니다 여기되고있다.

그러나, PAS에 / TIRPAS은 기본 방정식은 스넬의 법칙이다 굴절계 :

N _(1)이 프리즘의 굴절율이고, θ ₁ 프리즘 / 샘플 경계면에서의 입사각이고, n은 _{2 시료의} 굴절률이며, θ _(2)는 제 통해 굴절되는 빛의 각도 매질. 물질의 굴절률을 추정하는 감도를 주로 θ _1은 소 산장을 발생하는 임계각 죄 θ ₍₂₎ = 1 이상으로 될 때 달성되는 총 내부 반사 θ _(1)의 추정의 정확도에 의해 구동되고 따라서, 식 (5)는 N ₂ = n은 ₁ sinθ _1로 줄일 수 있습니다. (참고 : θ ₁ =θ 수치 유도체 (P 피크 광 음향 신호의 전압과 θ의 피크 DP / dθ는 광 음향 신호의 샘플 광의 입사각)가되는 각도를 알면) _{임계가있는} 로컬 최소값 허용 사용자가 N ₂ 해결하고, 따라서도 1에 도시 된 바와 같이 샘플의 벌크 굴절율을 추정 할 수 있도록 _한 θ의 추정.

마지막 OTPAS, 다음 식에 의해 피크 전압 음향 피크 %의 광 전송에 관한 것이다 :

T는 비율 광전송이고, p는 그 위에 막을 갖는 기판의 각 스펙트럼에 의해 생성 된 피크 - 투 - 피크 전압이며, P ₀ 각도 스펙트럼 O에 의해 생성 된 피크 - 투 - 피크 전압이며FA 기판, β 프리즘 침지 오일의 굴절률에 기초하여 상기 결합 상수이며, α는 감쇠 계수이고, 두께와 산장 내의 샘플 필름의 굴절률을 포함하는 요소이다. 이 기법의 감도를 두께 및 굴절율이 각 스펙트럼에 입사 각 각도 음향 신호 세기, P 및 P _0과 피크 정점의 추정 정밀도에 의해 구동된다. 이는 β 직접 프리즘 침지 오일의 굴절률에 기초하여 계산 될 수 있음을 도시하고있다; 결과적으로, 각 입사 각도 광전송을 계산하고 통계적 커브 피팅 분석을 통해 필름의 굴절률 및 두께에 대한 추정치를 추출하는 간단한 작업이다. 관심있는 독자는 골드 슈미트 등을 참조해야합니다. 자세한 내용은. ^5,6

티그 시스템은 두께 박막 굴절률 벌크 굴절율을 추정 및 검출을위한 광 흡수를 통해 음향 신호를 생성 할 수있는 광 음향 기반 시스템 EFPA. 시스템은 레이저로 구성되고, 광 열차 프리즘 / 샘플로하고, 레이저 에너지 측정면에 광을 안내한다. 도 2에 도시 된 바와 같이, 레이저 에너지 측정면은 입사 레이저 에너지의 광 음향 신호를 정규화하기 위해 사용된다. EFPA 시스템 스테퍼 모터 드라이버에 의해 구동되는 PAS / TIRPAS의 굴절계 및 OTPAS 내의 각 스펙트럼에 대한 / 샘플 프리즘을 회전 . 이 시스템은 디지털 수집 카드를 통해 데이터를 획득하고, 집에서 프로그램을 통해 사용자 인터페이스와 자동 단계 제어를 제공한다.

프로토콜

1. 시스템 설정

1. 하나의 10 MHz의 초음파 진동자의 전면에 9 mm 직경 1 mm 두께의 적색 라텍스 고무 실린더 부착 및 6 mm 두께로 9 mm 직경 1 mm 두께의 적색 라텍스 고무 실린더 부착 시아 노 아크릴 레이트, 에폭시를 사용하는 시아 노 아크릴 레이트, 에폭시를 사용 다음 기준 초음파 변환기에 동일하게 에폭시 수지로 접착되는 아크릴계 블록은 탄성 스페이서로서 작용한다.
2. 먼저 레이저로 명중되는 빔 확장기가 광 기차를 설정합니다. 그런 다음 수동으로 조절 조리개 초를 놓습니다. 마지막으로 세번째 소자로서의 편광 빔 스플리터 큐브를 사용하고, 비 편광 빔 스플리터의 각각의 출력에서​​ EFPA 프리즘 홀더 초음파 진동자하지 EFPA 프리즘 홀더와 트랜스 듀서를 배치했다.
   주 : 편광 빔 스플리터 큐브는이 모든 EFPA 기술의 적절한 기능에 매우 중요로 여진하는 순수한 단일 편광을 보장하기 위해 사용된다.
3. 경비를 확장YAG 레이저 : Q- 스위치 ND로부터 적어도 3 배의 빔 확장기를 만들 렌즈를 사용하여 레이저 빔을 보내고.
   주 : 빔 입사 다양한 각도로 프리즘을 통해 굴절로 인해 걸어 레이저 광 센서에도 불구하고 적절한 기능을 보장하기 위해 샘플 변환기의 라텍스 고무 흡수체에 비해 의도적으로 대형이다.
4. 프리즘 가까운 산의 ​​평평한면은 디지털 레벨을 사용하여 0 °의 각도로 설정 이도록 광학 기차 EFPA 프리즘 홀더를 정렬. 이 실험에서 수집되는 각 스펙트럼 데이터의 정확한 시작 위치를 보장한다.
5. 연결 및 컴퓨터에 오실로스코프, 스테퍼 모터 드라이버, 초음파 트랜스 듀서 및 XY 스테이지 모터와 같은 외부 장치의 전원을 켭니다. 물리적으로 트랜스 듀서를 연결하지 EFPA 프리즘에서 채널 0에 장착 물리적으로 EFPA 프리즘의 트랜스 듀서는 50 옴 BNC 케이블을 통해 채널 1에 마운트 연결합니다. 소프트웨어가 인식하도록 사전 프로그래밍되어이러한 특정 채널의 coustic 신호.

2. EFPA 시스템 초기화 및 광학 정렬

1. 수동 1mm 직경의 빔을 차단하는 조정 조리개를 조정한다.
2. 프로그래밍 소프트웨어 (예를 들어, LabVIEW를) 시작, 프리즘 / 샘플 인터페이스에서 70 ° 여기에 필요한 각도로 마운트를 이동하는 녹색 "이동"버튼을 눌러 70 °의 각도를 설정합니다.
3. 적절한 레이저 안전 유리를 사용하는 것은 (532 nm에서 OD 7+) 측으로부터 수직 레이저 빔을 프리즘을 들여다 수동 X의 스테이지를 이동 및 Y는 1mm 레이저 스폿이 형광 표시까지 핸드 휠을 사용하여 축 고무 라텍스. 빔이 라텍스를 중심으로되어 있는지 확인합니다.
4. 최대 개방에 수동으로 조절 조리개를 확장하고 (빨간색 리터 EFPA 프리즘 마운트에서 레이저 에너지 측정 광 음향 신호를 모두 보장하는 프로그램의 실행 전면 패널을보고오프라인) 및 레이저 에너지 측정면 (백색 라인으로부터 음향 신호)를 표시하고 거의 동일한 크기이다.
5. "정지"버튼을 누름으로써 프로그램을 중지.
   참고 : 버튼을 누르지 않으면 프리즘 수동으로 할 테스트를 계속하기 전에 다시 설정해야합니다. 초기화 프로토콜이 완료되면 TIRPAS, PAS / TIRPAS의 굴절계 또는 OTPAS 수행 될 수있다.

3. TIRPAS 기술

1. 도 3에 도시 된 바와 같이이 프리즘의 중심에 사용 프리즘 형 정합 침지 오일 지수 2.5 μL를 배치했다. 플라스틱 프리즘 장착 어댑터에 프리즘을 배치하고, 상부에 기판을 배치하여 오일을 끼우는 오일 층.
2. 도 3에 도시 된 바와 같이 EFPA 센서 마운트의 변환기에 연결 라텍스 고무의 시료 25 μL를 배치하므로 거품 형성없이 코트 전면있다. 샘플 수염료의 용액, 생물학적 유체 또는 용액에 현탁 검체 어떠한 광학적 흡수 물질이어야. 샘플의 어떤 준비가 필요하지 않습니다. 프리즘을 탑재하고 각 나사에 대한 16.75 g / mm의 설정 토크로 나사를 장착와 함께 마운트를 조 압축합니다.
3. "설정"탭을 선택하고 드롭 다운 메뉴에서 "설정"을 선택합니다.
4. 프로그램 자격 OTPAS 박막 analyzer_USB-5133.vi (보충 파일)를 실행합니다.
5. 도 4에 도시 된 바와 같이, 샘플에 의해 생성 된 음향 신호를보기.
   주 : 입사각은 시료의 얇은 두꺼운 광 부분을 관찰 할 산장의 광학 관통 깊이를 제어하기 위해 변경 될 수있다.

4. PAS / TIRPAS 굴절계

1. 도 3에 도시 된 바와 같이 플라스틱 프리즘 장착 어댑터에 프리즘을 배치했다. 다음에, 제에 사용 프리즘 형 정합 침지 오일 지수 2.5 μL를 배치전자 프리즘의 중심과 오일 층의 위에 기판을 배치함으로써 오일을 샌드위치.
2. . 그림 3과 같이 EFPA 변환기의 변환기에 탑재 연결된 고무 조각에 샘플의 25 μl를 놓고 프리즘을 탑재하고 각 나사에 대한 16.75 g / mm의 설정 토크로 나사를 장착와 함께 마운트를 조 압축합니다.
3. 은 "각도 스펙트럼"탭을 선택하고 드롭 다운 메뉴의 "각도 스펙트럼"을 선택합니다. 다음으로, 입력을 표 1에 나타낸 바와 같이 프로그램에 해당하는 파라미터.
4. 프로그램을 실행하고 각 스펙트럼을 완료하고 프로그램이 종료 될 때까지 기다립니다.
5. 오른쪽 각도 스펙트럼 그래프를 클릭하고 데이터를 저장하고 .csv 파일을 엽니 다 "Excel로 내보내기 → 데이터 내보내기"를 선택합니다.
   1. 그래프 프로그램이 데이터 (예를 들어, KaleidaGraph)를 열고는 "매크로"를 클릭하고 선택 & #에 숫자 유도체를 수행(34) 파생 상품 ". 입력 적절한 열에서 파생 상품을 촬영하고 Enter 키를 누릅니다" "좋아하고, 수치 미분 계산됩니다.
   2. 각도 대 수치 유도체를 그래프와 "곡선에 맞게"를 선택합니다. 은 "부드러운"옵션 ^5,18,98을 선택하고 데이터에서 노이즈를 부드럽게 맞게 "곡선에 맞게 선택"에서 데이터의 확인란을 선택합니다. '보기'에서 아래쪽 화살표를 선택하고 다른 컬럼에 곡선에 맞게 데이터를 추출하는 '데이터 창에 복사 곡선 맞춤 "을 선택합니다.
6. 수동 TIRPAS 체제에 PAS에서 전환을 나타내는 지역의 최소 및 입사 해당 각도를 찾기 위해 곡선 맞춤을 통해 검색 할 수 있습니다. 도 5에 도시 된 바와 같이 최소의 측정 된 임계 각도에 대응한다. 방정식 N = N _{샘플 프리즘} 죄 θ _C를 사용하여, 파형의 미지 시료의 벌크 굴절율을 계산길이는 레이저 심문에 사용됩니다. 전형적인 결과를 표 1에 나타내었다.

5. OTPAS

1. 프리즘의 중심에 (사용 된 유리의 유형에 일치하는 인덱스) 침수 오일의 2.5 μl를 놓습니다.
2. (멀리 프리즘)에서 테스트 할 필름면이 위를 필름이나 기판을 넣고 기포가 배치하는 동안 형성되지되어 있는지 확인합니다.
   주 : 기포가 형성되면, 샘플 필름 기판을 분리하고 응용 프로그램을 다시 시도.
3. 라텍스 고무에 침지 오일의 25 μl를 배치 거품 형성없이 침지 오일 코팅은 전체 표면되도록.
4. (그림 3). 기판 / 필름 층을 압축 각 나사에 대해 동일해야합니다 16.75 g / mm의 설정 토크에 장착 나사를 조입니다.
   참고 : 프로토콜의 토크 렌치, oz.-in.에 따라서 16.75 g / mm ~ 15 oz.-in.입니다
5. 은 "각도 스펙트럼"탭을 선택하고 남성 드롭 다운에 "각도 스펙트럼"을 선택유. 다음으로, 입력을 표 3에 나타낸 바와 같이 프로그램에 해당하는 파라미터.
6. 프로그램을 실행하고 각 스펙트럼을 완료하고 프로그램이 종료 될 때까지 기다립니다.
7. 도 6에 도시 된 바와 같이, (이전에 수행되지 않은 쪽) 기판 또는 필름을 사용 5.1-5.6 단계를 수행하여 검사를 다시 실행.
8. 드롭 다운 상자에서 "커브 피팅"를 선택하고 "커브 피팅"탭을 선택합니다. 다음 표 5와 같이 입력 적절한 매개 변수는. "샘플"의 필름 스캔을 선택합니다. "기판"아래의 기판 검사를 선택합니다.
9. 표 4에 나타낸 바와 같이 스캔 입력 굴절률 편광 및 다른 옵션은 이전 단계에서 실행 5.1-5.6.
10. 드롭 다운 상자에서 "피팅 곡선"을 선택하고 "커브 피팅"탭을 선택하여 프로그램을 실행합니다. 굴절률과 두께에서 관찰4]. 필름 RI "및"프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스의 오른쪽 상단에 도시 된 영화 "두께 일반적인 데이터는도 7에 도시되어있다.
11. 단계 5.10을 반복하여 데이터를 배치에 맞게 스캔의 수를 입력하고 출력하는 .csv 파일을 선택하여 한 번에 여러 검색을 맞게 "일괄 맞는"옵션을 사용합니다.
    참고 : 프로그램이 실행되면는 .CSV로 데이터 출력 모든 굴절률, 두께, 및 잔존 가치의 각 세트를 맞습니다. 이 작업을하기 위해서는에서, 스캔 등 scan_001.csv, 스캔 002.csv, 같은 숫자 목록에 있어야합니다

결과

결과는 TIRPAS, PAS / TIRPAS의 굴절계, 그리고 EFPA 플랫폼 내에서 subtechniques 있습니다 OTPAS 위해 표시되었습니다. (4) 흡수 샘플에서 발생하는 대표적인 TIRPAS 음향 파를 보여줍니다. 음향 파의 바이폴라 특성은 TIRPAS 기술의 특징 및 TIRPAS이 발생하고 있음을 나타냅니다. 이 바이폴라 파형 인한 음향 임피던스의 큰 차이에 시료와 유리 기판 사이의 계면에서의 음향 반사로 인해 발생한다. PAS / TIRPAS의 굴절계를도 5 및 표 1을 얻었다.도 5는 각 스펙트럼 벌크 굴절율을 추정하는 테스트를받은 샘플은 얻어진 수치 유도체를 나타낸다. 표 1을 추정하는 PAS / TIRPAS의 굴절계를 사용하여 결과를 나타낸다 안돼요으로 물 / PEG / 직접 빨간색 염료 혼합물의 대량 굴절률표준 휴대용 굴절계를 이용하여 벌크 굴절률 추정치 빨강. 마지막 OTPAS 결과를도 7 및 표 2에 나타낸다. (7) 중에 촬영 각도 스의 두 도면을 보여준다 OTPAS. 표 2 OTPAS 같은 박막 시료의 분광 엘립 소메 트리의 비교를 나타낸다.

EFPA. EFPA 그림 1. Subtechnologies는 현재 세 가지 하위 기술로 구성되어 있습니다. 이러한 기술은 TIRPAS, PAS / TIRPAS의 굴절계, 그리고 OTPAS 있습니다. 각 기술은 유도 또는 다른 속성을 결정하는 자료를 평가할 수 있습니다. TIRPAS는 바이오 센싱 용도에서의 광 흡수에 기초 물질을 검출 PAS / TIRPAS의 굴절계 벌크 굴절률을 평가하고 OTPAS 박막 굴절률 평가D 두께. TIRPAS에서, 임계각 θ _C를 넘어 빛은 광 흡수와의 상호 작용에 따라 음향 파를 생성 할 수있는 소멸 필드를 만듭니다. PAS / TIRPAS의 굴절계에서 TIRPAS 및 PAS 파형 모두 산장 광 음향 여기 및 기존의 광 음향 여기에서 모두 얻을 수있다. 각도 스펙트럼 그래프 두 체제를 플로팅함으로써, 과도 각도는 굴절률을 유도하는데 이용 될 수있는 관찰 될 수있다. 마지막 OTPAS에서 음향 신호의 스펙트럼을, 기판 상에 박막 및 노출 된 기판 모두에 대해 임계각 θ _C를 초과 레이저 조사하여 얻어진다. 데이터에 비선형 곡선 피팅 알고리즘을 적용함으로써, 박막 두께 및 굴절률이 유도 될 수있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

. 그림 2. EFPA 개략적 인 / 사진 왼쪽 : 레이저 빔은 라텍스 고무로 덮여 감지 영역을 너무 많이 넣다 확대해야 EFPA을 설정합니다. 도시 된 바와 같이 빔은 초기 프리즘 45도 각도 일 것이다. 오른쪽 :. 광학 기차를 보여주는 설정의 사진 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 샘플 로딩. 샘플 기판에 침수 오일을 통해 광학 접촉을 프리즘으로로드됩니다. TIRPAS 또는 PAS / TIRPAS의 굴절계에 직접 액체 접촉은 테스트 용 기판의 샘플을 얻을 수있다. OTPAS, 광 결합 죽에광학 터널링이 발생하는 우 기판과 빨간색 라텍스 고무 사이에 추가 침수 오일 수 있습니다. 마운트는 함께 토크 렌치를 사용하여 나사를 장착 고정되어있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4. TIRPAS 일반적인 데이터. TIRPAS 파형은 일반적으로 TIRPAS 방법의 특징이다 바이폴라 음향 신호 모양을 가지고있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5. PAS는 / 일반적인 데이터를 TIRPAS. </ strong>을 왼쪽 : 입사 다양한 각도에서 샘플을 조사하여 얻어지는 각도 스펙트럼 데이터. 오른쪽 : 다시 임계각의 위치에 해당 TIRPAS 체제에 PAS,의 전환을 나타내는 로컬 최소값을 계시 왼쪽 그림의 수치 유도체. 허가 재판. ⁽¹⁸⁾ 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 6 프로그램의 흐름도. 이 프로그램은 몇 단계로 반복 실행된다. 프리즘 마운트는 0 °로 설정하고 파라미터는 프로그램을 실행하기 전에 선택된다. 그 프로그램은, 기판과 막 모두의 각도 스펙트럼을 획득하기 위해 실행된다. 마지막으로, 곡선은 필름의 굴절률 및 두께를 추정 데이터에 적합. 허가 재판. ⁽⁶⁾ 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

. 그림 7. OTPAS 일반적인 데이터 왼쪽 :이 그림은 _MgF2와 영화와 각각 N-BK7 기판의 각 스펙트럼 스캔을 보여줍니다. 오른쪽 : N-BK7 기판을 검사하여 _MgF2와 막 각도 스펙트럼 스캔을 분할하고, 일정한 계수 (β)을 곱하여, 입사각 대 광 터널 (%)의 정도는 굴절률의 추정을 가능하게하는, 얻을 수있다 인덱스와 박막의 두께. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

PAS / TIRPAS	샘플 1	샘플 2	샘플 3	샘플 4	샘플 5	아타고 R-5000
직접 레드 / PEG 125 μg의 / ㎖	1.395	1.395	1.395	1.395	1.395	1.395-1.397
직접 레드 / PEG 250 μg의 / ㎖	1.39	1.39	1.39	1.39	1.39	1.390-1.396
직접 레드 / PEG 500 μg의 / ㎖	1.388	1.389	1.389	1.389	1.389	1.381-1.395
직접 레드 / PEG 750 μg의 / ㎖	1.382	1.382	1.387	1.387	1.387	1.372-1.395
미오글로빈 460 μg의 / ㎖	1.33	1.329	1.331	1.33	1.331	1.335

표 1. PAS / TIRPAS 결과. 다음 표는 굴절률을 높이기 위해 혼합 50 % PEG와 직접 붉은 염료에 대한 전형적인 결과를 보여줍니다. 허가 재판. ⁽¹⁸⁾

시험 유형	기술	박막형	굴절률	두께 (㎚)
Intrasample	OTPAS	MgF2와 200 nm의	1.384 ± 0.004	203 ± 6
Intrasample	Ellipsometry	MgF2와 200 nm의	1.393 ± 0.001	192.4 ± 1.1
Intersample	OTPAS	MgF2와 200 nm의	1.395 ± 0.011	220 ± 19
Intersample	타원	MgF2와 200 nm의	1.392 ± 0.002	195.2 ± 1.8

표 2. OTPAS 결과. 다음 표는 분광 타원 대 OTPAS 200 nm의 _MgF2와 박막에 대한 전형적인 결과를 보여줍니다. Intrasample는 intersample 반면 독립적으로 열 필름 테스트를 의미, 하나의 필름을 열 번 테스트를 의미한다. 허가 재판. ⁽⁶⁾

평균의 #	1	각도를 시작합니다	(60)	워밍업 (분)	0	굴절률 (프리즘)	1.519
# 검사	1	스텝 사이즈	0.1	에 저장	"YourFileName을".CSV	마이크로 #	(10)
세트 Q 스위치	275	정지 각도	(80)	레이저 선택	Surelite	속도 (RPM)	(500)
오류 허용 오차 (%)	(5)	레이저 시작	...에	저역 통과 필터 (PROG램)	1.00 × 10 (7)	가속 (RPS)	(200)

표 PAS / TIRPAS의 굴절계 3. 각도 스펙트럼 설정. 다음 표는 PAS / TIRPAS의 굴절계의 각 스펙트럼에 필요한 설정을 보여줍니다.

평균의 #	(64)	각도를 시작합니다	(70)	워밍업 (분)	1	굴절률 (프리즘)	1.519
# 검사	1	스텝 사이즈	0.1	에 저장	"YourFileName을 &# 8221; .CSV	마이크로 #	(10)
세트 Q 스위치	275	정지 각도	(72)	레이저 선택	Surelite	속도 (RPM)	(500)
오류 허용 오차 (%)	(5)	레이저 시작	...에	저역 통과 필터 (프로그램)	1.00 × 10 (7)	가속 (RPS)	(200)

표 OTPAS 4. 각도 스펙트럼 설정. 다음 표는 OTPAS의 각 스펙트럼에 필요한 설정을 보여줍니다.

저 굴절율	1	용인	1.00 × 10 -12	커플러 RI	1.519	기판 데이터	yourfilename.csv 선택
낮은 두께	0 nm의	굴절률 같다	1.3	파장	532 nm의	여러 개의 파일로 저장	yourfilename.csv 선택
어퍼 두께	1,000 nm의	두께 추측	200 nm의	편광	P 편광	얼마나 많은 파일	당신이 적합 할 파일 #
최대 반복	5,000	기판RI	1.519	필름 데이터	yourfilename.csv 선택	맞는 유형	단일 적합 / 배치에 맞게

표 5. 커브 피팅 파라미터. 다음 표 정확한 파라미터 추정에 필요한 커브 피팅 파라미터들을 나타낸다.

기업 코드 파일 :. OTPAS 박막 analyzer_USB-5133.vi 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

토론

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.

자료

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.