lundi 3 mai 2010

L'acoustique picoseconde


Acoustique, optique et thermique ultra-rapides dans les nano-systèmes


Depuis son avènement en 1984, l’acoustique picoseconde a excellé dans bien des domaines, en particulier celui des multicouches, autant d’un point de vue fondamental qu’appliqué. En effet, au travers de l’étude des mécanismes de génération et de détection d’ondes acoustiques, il est maintenant possible d’extraire de multiples informations de ces systèmes lamellaires

Néanmoins, la thématique des nanosciences ne se limite pas à des systèmes structurés perpendiculairement à la surface, la structuration latérale dans le plan des couches est une composante omniprésente dans ce domaine prometteur et déjà florissant d’un point de vue industriel. Citons à ce titre, l’extraordinaire progression depuis trois décennies de la microélectronique grand public.

Par conséquent, un effort expérimental a été consenti afin d’enrichir le domaine de l’acoustique picoseconde résolue en temps, du paramètre spatial qui avait jusqu'à présent fort peu été développé. Au travers d’approches conventionnelles de microscopie de champ lointain mais également d’approches plus spécifiques telles que les microscopies de proximité, il nous est maintenant possible de cartographier les propriétés acoustiques à des échelles allant de quelques dizaines de microns jusqu'au dixième de micromètre.

La structuration dans les trois directions de l’espace n’est pas sans conséquence sur les propriétés acoustiques. En effet, la taille influence directement le spectre vibrationel d’une nanostructure. A l’aide d’approches expérimentales multi-échelles et d’une collaboration avec la salle blanche de premier cercle de l’IEMN, nous avons montré comment les modes de vibrations de nanostructures individuelles ou collectives d’aluminium et de platine, pouvaient être affectés par des paramètres tels que la dimension et le couplage avec l’environnement.



Réponse temporelle mesuré sur un plot unique d’aluminium de 400nm de taille. Spectre de vibration associé à cette excitation locale.

Actuellement, la mise en œuvre des moyens de photolithographie UV de l’INSP alliés aux moyens de l’ENS en lithographie électronique, nous permet la réalisation de structure dont les dimensions vont de la centaine de micromètres à cinq cent nanomètres. La technique de « Lift off » associée à nos systèmes de dépôt par effet joule ou par pulvérisation cathodique, nous permet la réalisation d’une vaste gamme de systèmes métalliques.

Récemment, nous nous sommes intéressés à l’influence de la nature de l’excitation sur la réponse vibrationelle de microstructures d’aluminium et d’or réalisées à l’INSP. En combinant l’aspect temporel et la cartographie, nous pouvons observer comment une onde de surface, dont le contenu fréquentiel peut être ajusté, interagit avec une microstructure placée sur son chemin (cf. animation ci jointe). Il a été montré que suivant la taille de la microstructure, cette dernière pouvait être excitée sur un de ses modes propres, et ensuite jouer le rôle de source acoustique dont les propriétés sont alors uniquement liées à ses caractéristiques intrinsèques et non plus à l’onde de surface d’origine.

( source : INSP )


Dispositifs d’acoustique picoseconde

Ces dispositifs permettent l’excitation et la détection d’impulsions acoustiques d’une durée de quelques picosecondes ou la détection de transitoires acoustiques dans le domaine subterahertz à terahertz. Ils fonctionnent sur le principe des techniques optiques pompe-sonde à l’aide de sources lasers femtosecondes.

Une première impulsion laser excite un champ acoustique que l’on sonde avec une seconde impulsion retardée. La gamme temporelle que l’on peut explorer va de quelques centaines de femtosecondes à plusieurs microsecondes. Par ailleurs les diverses détections interférométriques que l’on utilise ont une sensibilité de quelques femtomètres pour la mesure des déplacements de surface induits par les champs acoustiques. Nous possédons deux dispositifs d’acoustique picoseconde permettant des mesures dans une gamme de température allant de quelques K à la température ambiante. L’un des montages est utilisé comme un SONAR nanométrique et l’autre est plus particulièrement dédié à l’étude de nano-objets ou nanostructures 2D grâce à l’adjonction de dispositifs de microscopie optique conventionnelle ou de champ proche. Ce montage permet de réaliser des cartographies du champ acoustique à différents temps et de filmer ainsi la propagation d’ondes acoustiques dans des nanostructures 2D avec une résolution temporelle « picoseconde » et une résolution spatiale submicrométrique.

( source : INSP )


Preuve qu'une impulsion laser peut exciter un champ acoustique .




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