利用二维层状半导体作为超快光声换能器，通过全光学方法测量不透明薄膜的厚度

《Optics & Laser Technology》：All-optically measuring opaque thin-film thickness with 2D layered semiconductor as ultrafast photoacoustic transducer

本文采用二维半导体MoS?作为超快光声换能器，通过飞秒激光抽运-探测技术，实现了对不透明Al薄膜的厚度非侵入式测量。相较于传统金属换能器，MoS?将光学激发阈值降低近两个数量级，并显著提高检测灵敏度，为复杂异质结器件的检测提供了新方法。

　　

侯飞阳|岳珍|张赫|王玉杰|宾思琴|关子强|周光全|徐春祥|崔倩楠

东南大学生物科学与医学工程学院，南京 210096，中国

摘要

本文展示了一种全光学、非侵入式的测量不透明薄膜厚度的方法，该方法使用二硫化钼（MoS₂）作为超快光声换能器，并通过飞秒激光泵浦-探测技术实现。实验结果表明，MoS₂薄膜能够发出皮秒级声波（PA）脉冲，这些脉冲在SiO₂/MoS₂/Al异质结构中传播。通过分析时域声回波信号，可以准确提取Al薄膜的厚度。与传统基于金属的超快光声换能器相比，MoS₂将光激发阈值降低了近两个数量级，并显著提高了检测灵敏度。这些结果证明了二维（2D）层状半导体作为多功能超快光声换能器的潜力，可用于检测具有不透明层的异质结构器件。

引言

不透明薄膜在现代光电子和微电子器件中起着关键作用，它们在集成半导体芯片、微光子器件以及先进传感器中不可或缺[1]、[2]。这些薄膜的厚度均匀性、界面特性和结构完整性直接影响器件的性能和可靠性。例如，在垂直腔面发射激光器（VCSEL）中，分布式布拉格反射器（DBR）中的金属层不仅决定了反射率，还显著影响激光输出功率和光束质量[3]、[4]。在集成电路中，金属互连的厚度强烈影响导电性、热耗散和运行稳定性[5]。因此，为了支持器件尺寸的持续小型化以及半导体技术路线图所定义的日益增加的结构复杂性，开发适用于不透明薄膜的可靠且精确的计量技术变得日益紧迫。

在半导体计量领域，传统的光学方法因其快速、无损的检测能力而得到广泛应用[6]、[7]。然而，随着集成电路特征尺寸的不断缩小以及不透明材料在先进工艺节点中的日益普及，这些方法在空间分辨率和信号对比度方面逐渐遇到限制[8]。相比之下，超快光声光谱技术已被证明是用于精确表征多层异质结构中薄膜和纳米结构的有效技术[9]、[10]、[11]。为了产生相干声子（CAP）振荡，通常使用半导体或金属薄膜作为超快光声换能器，将光激发转换为机械振动[12]、[13]、[14]。然而，这两种类型的换能器都存在固有的局限性，包括皮秒声波脉冲的能量转换效率低、光激发阈值较高、明显的光热效应以及发射的皮秒声波脉冲频率的可调性有限。

相比之下，二维（2D）层状半导体（如过渡金属硫属化合物（TMDs）通过范德华力实现层间结合，因此在实现高效且可控的皮秒声波脉冲发射器方面具有巨大潜力[15]、[16]、[17]、[18]。这些2D半导体具有较大的光吸收系数和高光损伤阈值。当被飞秒激光脉冲激发时，它们可以高效吸收入射光子并产生高载流子密度[19]、[20]。通过电声耦合机制，这一过程引起瞬态晶格变形，从而形成CAP振荡，实现光能到声能的高效转换[21]、[22]、[23]。同时，CAP频率强烈依赖于层数，能够在GHz到THz的频率范围内实现精确且灵活的调谐[24]、[25]、[26]、[27]。由于这些特性，基于2D半导体的相干声子研究取得了实质性进展[28]、[29]、[30]。然而，据我们所知，将其作为超快光声换能器用于定量测量不透明薄膜的弹性特性和厚度的研究仍大部分未被探索。

在本研究中，将飞秒激光泵浦-探测光谱技术与2D层状半导体（MoS₂）结合使用，成功在不透明的Al薄膜中发射皮秒声波脉冲，从而基于时域声回波信号进行厚度测量。值得注意的是，对光激发阈值的比较分析显示，MoS₂的阈值比传统金属换能器（Al）低近两个数量级。我们的结果表明，2D层状半导体作为超快光声换能器在检测具有不透明层的异质结构器件方面具有巨大潜力。

章节摘录

Al薄膜的制备

本研究采用电子束蒸发法制备Al薄膜。具体步骤如下：将高纯度Al颗粒放入坩埚中，使用高度抛光的二氧化硅衬底作为沉积基底。利用电子束蒸发系统沉积具有可控厚度的Al薄膜。沉积前，使用机械泵和涡轮分子泵将腔室真空度维持在6.6 × 10^-4 Pa。

结果与讨论

实验研究了沉积在SiO₂衬底上的Al薄膜的光声转换特性。如图1(b)所示，实验采用了传统的瞬态反射率泵浦-探测配置，其中400 nm的泵浦脉冲激发Al薄膜表面，通过热弹性机制产生皮秒声波（PA）脉冲。产生的PA脉冲随后在Al/SiO₂界面反射，如绿色箭头（PA脉冲回波）所示。

结论

总结来说，通过使用2D层状半导体（MoS₂作为超快光声换能器，并结合飞秒激光泵浦-探测技术，实现了对不透明薄膜（Al）厚度的全光学测量。与传统金属光声换能器相比，激发阈值降低了近两个数量级。我们的结果为含有不透明层的各种异质结构器件的超快声学特性分析提供了一种全光学、非侵入性的方法。

作者贡献声明

侯飞阳：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析。岳珍：方法论、数据分析。张赫：资源准备、数据分析。王玉杰：数据分析。宾思琴：软件开发、方法论。关子强：数据分析。周光全：软件开发。徐春祥：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、资金获取、数据分析。崔倩楠：撰写——审稿与编辑、资源准备、方法论、资金支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2024YFA1208900）、国家自然科学基金（62335003和62474035）、江苏省自然科学基金（BK20222007）以及东南大学青年学者跨学科研究计划（2024FGC1007）的财政支持。