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Les lasers femtoseconde accordables font vibrer les nanostructures

A P P L I C AT I O N

Les objets nanométriques font l’objet de plus en plus de recherches. Leurs propriétés uniques les rendent potentiellement

intéressants dans des domaines aussi variés que la biologie ou l’électronique quantique. Mais leur petite taille signifie

aussi que leurs propriétés comme leurs modes de vibration ne peuvent être mesurés par les moyens conventionnels.

Récemment, une technique laser a relevé le défi d’aller sonder les propriétés élastiques du nano-monde, l’acoustique

ultrarapide. Cet article montre comment cette technique est employée pour l’étude de nanostructures et comment

elle a pu être développée grâce à l’avènement des sources laser accordables.

David Armstrong et Jean-Luc Tapié Coherent [e-mail] [e-mail]

■ Acoustique ultrarapide

Quand une impulsion laser atteint une cible absorbante, l’énergie lumineuse peut être absorbée dans une couche très fine, de quelques nanomètres, pro- voquant un échauffement très localisé. Si la cible est composée d’aluminium, par exemple, la couche concernée subit une dilatation instantanée s’ac- compagnant de l’émission d’une onde acoustique de très haute fréquence. Par exemple, pour une impulsion femto- seconde et une absorption limitée à 10 nm, des ondes acoustiques de plus de 200 GHz sont émises. Les chercheurs ont compris qu’avec de telles ondes ils pourraient transposer le sonar à une échelle spatio-temporelle complète- ment inédite. C’est ainsi que l’épaisseur des films qui composent les circuits in- tégrés de la microélectronique peut être contrôlée par la mesure du temps de vol que met l’onde acoustique pour traverser la couche à tester. Dans ces expériences, aussi bien l’émis- sion que la détection acoustiques pas- sent par l’optique et les impulsions ultracourtes (figure 1 ). L’impulsion laser est séparée en deux, la pompe et la sonde, cette dernière passant par un chemin optique dont la longueur est ré-

n°34 • mars-avril 2008

glable, la ligne à retard. Deux manières permettent de détecter optiquement un écho acoustique : - quand un écho acoustique revient à la surface, il affecte la structure électro- nique du matériau qu’il traverse, ce qui modifie ses propriétés optiques et par conséquent la réflectivité optique de la surface. Ce sont ces changements qui sont détectés par la sonde retardée temporellement ; - dans le cas particulier où la structure sondée possède une couche transpa- rente en surface, la sonde se réfléchit aux interfaces de la couche et la lumière réfléchie résulte des interférences entre ces contributions, exactement comme dans un étalon de Fabry-Pérot. Cette fois encore, l’impulsion acoustique réfléchie

Figure 1.Schéma de principe du dispositif expérimental permettant de réaliser des expériences d’acoustique ultrarapide avec un laser femtoseconde. Le laser est séparé en deux bras, la pompe et la sonde. La pompe excite une impulsion acoustique ultrabrève qui se propage dans la structure testée. La sonde détecte le retour d’un écho revenant à la surface de l’échantillon. Dans ce cas particulier, la sonde est doublée en fréquence afin de détecter l’onde acoustique à l’aide de lumière bleue.

dans l’échantillon peut être détectée par les faibles modifications qu’elle in- duit sur l’indice optique ou l’épaisseur de la couche qu’elle produit durant sa traversée.

■ Pouvoir changer la longueur d’onde est vital

A partir de 1999, le groupe d’Arnaud Devos de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnolo- gie de Lille s’est intéressé à cette tech- nique pour étudier les nanostructures produites au laboratoire. Ils découvrent rapidement que les deux mécanismes de détection impliqués dans ces expé- riences peuvent être extrêmement sen- sibles à la longueur d’onde du laser femtoseconde [1,2]. «Dans le cas des métaux, la sensibilité est liée à la proxi- mité de transitions électroniques», ex- plique Arnaud Devos, citant l’exemple de l’aluminium dont la faible réflectivité à 850 nm est précisément causée par un accident dans la structure électronique du métal ( figure 2 ). «A 800 nm, nous ob- tenons un beau signal positif, à 900 nm, un signal négatif comparable, mais à 850 nm aucun écho acoustique n’est détecté.» Dans le cas des couches transparentes, le signal dépend encore plus franchement de la longueur d’onde en raison du comportement interféro- métrique de la couche servant à la dé- tection. A partir de cette observation, le groupe d’Arnaud Devos a commencé à étudier l’acoustique ultrarapide en fonction de