使用双激光无损检测手段来表征纳米材料性能

江苏激光联盟指南：

据报道，一种非接触式测量方法利用激光超声技术表征纳米结构材料的详细弹性特性，以帮助工程师和技术人员 由科学家来决定纳米材料是否适合加工成某些部件。这些决定取决于材料的机械性能。

成果简介：

硅中的纳米孔将导致有源半导体器件新功能的出现。由于难以评估此类材料的机械性能，因此此类材料在纳米流体和生物传感器、药物输送、储能和光电子领域的应用受到很大限制。在这里，我们向您展示了一种基于激光激发的弹性导波，用于在干燥和充满液体的单晶多孔硅中进行非接触和无损检测。实验表明，每平方分米横截面自组装 100 亿个平行纳米孔导致垂直于孔轴的弹性几乎各向同性，有效强度降低 80%，同时体积减小。硅的立方各向异性为显着转移。我们对纳米多孔硅机械性能的完整片级评估为稳健的片上芯片器件的预测应用以及最近在干燥和液体功能化多孔条件下激光超声的开创性发展开辟了道路。新的原位、非破坏性和机械性能表征的新序言。

图1激光超声实验

材料的纳米结构可以带来新颖且通常令人惊讶的特性。这为潜在的应用和技术开发打开了大门。这种能力决定了它们真正的机械性能，其测量结果往往很难判断一种特定的材料是否适用于特定的应用。在测量过程中，属性会发生变化。其他确定性测试会损害材料的性能。

由来自德国DESY（Deutsches Elektronen-Synchrotron）的Patrick Huber和TU Hamburg领导的德法研究小组使用脉冲紫外激光在多孔硅中产生热弹性振动，直接联系。所用激光器为无源调Q频率3倍频率ND：YAG（钇铝石榴石）激光器，激光波长355nm，脉冲重复频率500Hz，脉冲宽度25μJ脉冲能量。为350 ps，峰值功率为60KW。当脉冲持续时间为十亿分之一秒时，纳米多孔硅膜被激发在超声波范围内振动，类似于水滴撞击水面的方式。 HUber 说，这种在超声波范围内的振动会穿透材料的整个单晶材料。在材料的体积范围内，材料表面的本质特性和引导弹性波取决于与纳米结构硅方向相关的弹性特性的变化程度。

研究团队使用激光干涉仪（尤其是迈克尔逊干涉仪）以非接触和非破坏性的方式检测这些波，以确保可以推断出材料的力学行为，以帮助弹性波。建立合适的模型。干涉仪配备了倍频 ND:YAG 激光器。激光器的运行波长为 532nm，功率设置为 60 mW。

图片·?本成果示意图：与水滴相同 中水表面相似。短激光脉冲仅持续十亿分之一秒，在纳米多孔硅膜上激发，产生超声波范围内的波。弹性波在薄膜中膨胀，整个纳米孔充满液体，因此采用二级激光干涉仪进行测量。因此，实现了复合纳米材料在非接触和物理损伤前提下的力学表征。可能的。膜的显示是基于纳米多孔硅孔径为7nm的前提下获得的电子照片。

传统超声波测量的缺点是样品必须与测量设备直接机械接触，即与超声波发生器和接收器接触，论文第一作者Marc Thelen说和胡贝尔课题组的博士后研究员。在这项研究中，液体用于耦合。多孔材料吸收了这些耦合液体，因此经典的超声实验变得无效。相反，我们可以研究充液硅的孔隙，从而显示多孔材料的力学行为，在用液体功能化后可以通过超声波详细分析。

纳米多孔硅的孔放大图

对于纳米结构的硅样品，研究团队研究了含有平行纳米孔的结构。实验表明，传统硅单晶中的行为与当前的有显着差异，在半导体行业中被称为薄片。

另一方面，我们可以证明高纳米孔隙率导致强度显着降低。然而，这也将导致硅晶体中与方向相关的弹性的显着抵消，法国巴黎朗维研究所德法合作研究小组的合伙人克莱尔普拉达说。令人惊讶的是，我们还可以检测到纳米级管孔直径（锥体）的细微变化。

图片：纳米多孔硅的扫描电子显微镜照片：侧面a 视图，b 顶视图

孔隙空间充满液体的纳米多孔固体（例如本工作中的硅膜）已导致用于生物传感器、能量存储和水处理的高性能材料的发展.此外，研究人员在他们的论文中声称，纳米多孔硅对于在不同情况下的研究和应用特别有用。由于它提供了具有全方位孔隙的单相单晶介质，因此可用于研究材料的限制效应。其光学、热学和热学特性也支持其在光电子学、热电子学和 MEMS 领域的应用。

文章来源：《无损检测》 网址: http://www.wsjczzs.cn/zonghexinwen/2021/0803/623.html