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本研究の目的は、100GHz帯の高周波の超音波パルスを利用して、100nm程度の高分解能をもつ超音波顕微鏡技術を開発し、ナノ構造試料内部の3次元構造を非破壊的に可視化することである。この技術は、固体内部に最も高周波数の超音波パルスを非破壊的に発生させることのでき、実際に薄膜の評価などに使われているフェムト秒パルスレーザーを使った測定法であるピコ秒超音波法に、超音波探傷法などで使われている逆問題的な3次元位置推定の方法を取り入れたものである。
この技術の方法を説明する。まず、試料の表面でポンプ光パルスによって熱弾性的に超短超音波パルスを励起する。その超音波パルスが試料内部の構造で反射され、表面各所へ到着する時間やその強度を、プローブ光パルスを時間的に、また表面形状に沿って2次元空間的に走査し測定する。その測定結果をもとに、反射源の位置や、形状、音響インピーダンスを推定し、試料内部の3次元構造を画像化する。
今年度は、試料が透明場場合の測定とその解析方法の確立、シミュレーションを行った。水中に閉じ込められた透明試料中をピコ秒超音波が伝播するとその音速や屈折率に依存した周波数の信号を検出出来ることを利用した。その周波数を伝播時間の関数として解析し、物質中の音響波パルスの位置と時間の関係、物質中の音響波の3次元分布を導き出せることを示した。また、有限要素法PZFlexを利用して、シリコン基板上に掘ったマイクロ構造試料中の音響波や、厚み分布が連続的に変化している金膜を伝播する音響波を求め、実験結果と比較した。
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