[论文解读] Multi-Material Strain Mapping with Scanning Reflectance Anisotropy Microscopy

Joan Sendra, Fabian Haake+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2023

Near-Field Optical Microscopy参考文献 2被引用 1

一句话总结

该论文提出扫描反射率各向异性显微术（SRAM），一种宽带、相位敏感的光学技术，通过近正入射椭偏响应的高光谱成像，实现了在多材料体系中亚微米分辨率的应变映射。利用弹光效应，SRAM实现低于1°相位移的应变灵敏度，可定量映射超材料、半导体（Ge桥）和金属（Au薄膜）中的弹性应变，为柔性及可穿戴电子器件中的机械表征提供一种非破坏性、多功能的平台。

ABSTRACT

Strain-engineering of materials encompasses significant elastic deformation and leads to breaking of the lattice symmetry and as a consequence to the emergence of optical anisotropy. However, the capability to image and map local strain fields by optical microscopy is currently limited to specific materials. Here, we introduce a broadband scanning reflectance anisotropy microscope as a phase-sensitive multi-material optical platform for strain mapping. The microscope produces hyperspectral images with diffraction-limited sub-micron resolution of the near-normal incidence ellipsometric response of the sample, which is related to elastic strain by means of the elasto-optic effect. We demonstrate cutting edge strain sensitivity using a variety of materials, such as metasurfaces, semiconductors and metals. The versatility of the method to study the breaking of the lattice symmetry by simple reflectance measurements opens up the possibility to carry out non-destructive mechanical characterization of multi-material components, such as wearable electronics and optical semiconductor devices.

研究动机与目标

• 开发一种非破坏性、高分辨率的方法，用于在多材料体系中对各类材料进行应变映射。
• 克服传统应变分析技术（如XRD和拉曼光谱）在空间分辨率和材料特异性的局限。
• 利用单一光学平台，在衍射极限下实现定量、相位敏感的应变测量。
• 在真实器件结构中展示该技术在半导体、金属和超材料中的适用性。

提出的方法

• SRAM系统采用超连续谱光源、光弹调制器（PEM）和锁相检测，以高信噪比测量归一化反射率差值（∆r/r）。
• 通过PEM实现相位调制，从检测信号的傅里叶分量中提取椭偏参数Ψ（振幅比）和∆（相位差）
• 采用传输矩阵模型描述光通过光学组件时的偏振态演化，实现对样品椭偏响应的精确重建。
• 系统在宽光谱带宽（400–700 nm）内获取衍射极限的空间分辨率高光谱图像。
• 使用具有四重对称性的Si(100)晶圆进行校准，以校正由对准引起的伪影。
• SRAM信号通过弹光效应与弹性应变关联，金属薄膜的定量应变校准通过Voce类拟合实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 SRAM能否在多种材料中实现亚微米空间分辨率的应变映射？
• RQ2 SRAM的相位灵敏度与传统反射率各向异性光谱（RAS）相比如何？能否分辨出具有低本征各向异性的材料中的应变诱导光学各向异性？
• RQ3 SRAM在单一光学平台上对金属、半导体和超材料的弹性应变实现定量映射的程度如何？
• RQ4 SRAM信号与薄膜中实际弹性应变的相关性如何，特别是在非均匀应力场下？
• RQ5 能否利用SRAM准确建模并实验验证薄膜边缘诱导的应变松弛？

主要发现

• SRAM实现低于1°的相位灵敏度，可高精度检测应变诱导的光学各向异性。
• 系统成功分辨出具有偶极槽天线的超材料中的应变场，显示出单个纳米天线在∆和Ψ上的明显对比。
• 对于悬挂的Ge桥，SRAM以亚微米分辨率映射出应变梯度，揭示了局部的拉伸和压缩区域。
• 在聚酰亚胺上的金薄膜中，SRAM信号与应变通过Voce类模型相关联，其特征松弛长度约4 µm，与理论预测一致。
• 从SRAM图谱测得的应变松弛长度（4 µm）与线性剪切滞后模型定量吻合，验证了该方法的准确性。
• SRAM实现了在复杂系统（如可穿戴电子产品）中非破坏性、多材料的应变映射，且无需在后续应用中进行材料特异性校准，仅需初始设置。