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奈米超音波

簡介

  聲波在近代非破壞性偵測、造影科技中扮演致為關鍵角色。然而受限於技術發展,傳統電致聲波波長僅止於微米尺度。由於偵測、造影之空間解析度受限於聲波波長,對於近年來蓬勃發展的奈米科技而言,傳統超音波已然無法提供所需之解析度。我們成功利用光致奈米音波發展出許多獨步全球的創新技術。包括奈米超音波成像技術,奈米超音波在介質傳播的衰減,以及奈米結構下的音波及熱傳行為。

 

(1) 奈米超音波成像技術

  聲波在傳播與影像上有廣泛的應用,譬如聲納與超音波的技術。目前廣泛應用的聲波頻率小於十億赫 (GHz),波長大於1微米。因此,音波相關技術仍無法達到奈米等級的解析度。近年來,本實驗室已成功的產生波長小於10奈米的聲波,在固體中,我們所產生的奈米聲波的波長可短到只有十幾個原子的距離,而聲波頻率可高達1>兆赫 (THz)以上。如此短波長、超高頻聲波的物理特性仍是一個令人好奇的新領域。
  利用光所產生的奈米聲波不但正開啟新的研究領域,也提供未來應用技術開發新的方向。奈米超音波在縱向解析度可小於10奈米,利用空間操控技術,在橫向解析度上可以小於50奈米。我們最近更成功示範全球首度利用奈米音波所取得具有奈米解析度的超音波影像。本實驗室所發展之奈米超音波技術同時具有「非破壞性」、「三維影像」、「奈米解析度」等能力,是目前其他奈米影像技術所無法兼具。此技術未來有極大潛力應用在奈米材料的三維結構、彈性特性等非破壞式方法研究。

圖一:(a)奈米超音波影像技術是利用「回音」的方式偵測待測物結構。如左圖所示,兩個echo peaks對應到奈米聲波在待測物中被不同界面反射回來的時間。藉由聲速、回音時間,我們可得到擁有奈米解析度的超音波影樣(如右圖所示)。(b)利用空間操控技術,我們成功得到較銳利的邊緣影像。

 

(2)奈米音波於材料中之衰減行為

  除了奈米超音波影像,本實驗室所實現的音波頻寬更可高達兆赫等級,此寬頻表現亦非常適用於高頻超音波頻譜學的研究。為實現頻譜學研究的可行性,我們使用氮化銦鎵單層量子井作為超寬頻奈米音波壓電轉換器,並在此壓電轉換器表層鍍上一層20奈米的氧化矽薄膜。藉由分析奈米音波在氧化矽薄膜中的傳輸行為,我們得以觀測到世界首次的氧化矽中音波衰減頻譜,頻寬高達650GHz。氧化矽是目前半導體工業最常用的絕緣材料,亦是我們日常生活中不可或缺的材料(玻璃)之一。因此,透徹探索氧化矽的基本物理特性不僅是目前半導體工業的奈米製程中的重要一環,亦是解決人們長久以來對於玻璃物理特性不了解的途徑之一。此重要研究成果得到了國際期刊Nature Photonics的高度關注。

圖二:(å·¦) 奈米音波於氧化矽內的回波頻譜。(右) 高達650GHz之音波衰減頻譜觀測。 

 

(3) 奈米音波於奈米結構中傳播行為

  利用在奈米柱中成長多層量子井的方式,可利用壓電效應在奈米柱中產生高頻音波,並探討其傳遞行為。藉由了解其傳播方式,未來不但可以結合奈米柱來提高奈米音波的橫向空間解析度,更可探討在奈米結構下的熱傳行為。並且成功觀察到音波在奈米結構當中的色散傳播行為(全世界第一次)。 

圖三:(左)奈米柱中多層量子井影像。(右)藉由得知不同頻率的音波所具有的速度,我們觀察到了音波在奈米柱當中的色散行為。

 

(4) 奈米音波於原子級介面層之聲學性質偵測

       隨著現今高科技半導體製程持續朝著微縮的方向發展,各種先進製程設計出更複雜的堆疊結構、更稠密的材料組合以期達到最高空間利用來增進元件整體的效能。在這樣的趨勢下,材料與材料間的界面數量相較以往大幅增加;然而在兩個異質材料間往往會有一層接近原子層級厚度(ç´„0~3奈米)的界面層產生。在製程微縮趨勢下,此界面層對元件效能與可靠度之影響已不能被忽略。材料的彈性性質是研究元件散熱與穩定度所需之基本物理參數;然而,常見用於量測極薄材料之彈性性質的技術如:奈米壓痕技術、雷射表面聲波技術、表面布里淵散射技術等,都無法量測介於材料間如此薄之界面層的彈性性質。我們實驗室利用自行研發的飛秒聲學技術,成功地量測出原子級厚度的界面層彈性性質,為研究新穎奈米元件之散熱與可靠度邁出了重要的一步。

                   

圖四:(å·¦) å»£æ³›å­˜åœ¨æ–¼ææ–™é–“的原子級介面層之穿隧式電子顯微鏡影像與結構式意圖 (右) 探討原子級介面層對奈米音波傳遞造成之影響,及理論模擬(虛線)和實驗量測(黑色實線)之擬合

 

(5) 原子解析飛秒超音波影像技術 – 長時間非侵入式固液界面光化學反應觀測

       了解在固液界面處的化學反應機制是非常重要的。而這些界面化學反應不僅發生在界面處,甚至還會出現在界面下的區域。然而現有大部分的觀測技術僅能提供有限的空間解析度,或是僅具有觀測最外圍原子層的能力。近期我們利用次原子解析等級的飛秒超音波影像技術,在大氣環境下長時間觀測氮化鎵於照光後產生氫氣的氧化過程,首次成功觀測到固液界面及界面下的次原子級光化學反應。另外,當氧化層厚度等於有效原子層厚度的整數倍時,音波訊號具有較高的信噪比與低的散斑雜訊。可以發現這種以同調聲子為基礎的技術能展現出類似量子效應的行為。

        

圖五:(å·¦) æ°´å…‰é›»è§£åæ‡‰éŽç¨‹ä¹‹å³æ™‚監測 (中) å¾žæ°§åŒ–反應的M-mode(動態模式)圖可以看見氧化層隨時間增厚的速度 (右) a. å¾žæ°§åŒ–鎵薄膜厚度可以推斷形成一層與兩層"完整"氧化層之時間點 b. 在形成完整氧化層時,介面較為平整,介面散射效應減弱,使得該時間點有較佳的音波訊雜比