Специалисты НИУ ВШЭ совместно с коллегами из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали метод быстрой оценки прочности сцепления плёнки с подложкой. Это важно для создания сверхвысокочастотных акустических фильтров. Такие фильтры выступают ключевыми элементами связи нового поколения 5G и 6G. Возможность измерить поперечную жёсткость сцепления между плёнкой из двумерного материала и подложкой таким способом получена впервые. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Как отметили авторы исследовнаия, современные смартфоны используют фильтры для передачи данных на высокой скорости. Эти устройства превращают электромагнитный сигнал в ультразвук и обратно. Это помогает отсеивать помехи. По мере повышения частот связи предлагаются новые типы таких фильтров, например на основе акустоэлектрических эффектов. Практически любые приборы современной электроники представляют собой элементы из плёнок на подложке.
Проблема в том, что на высоких частотах в несколько гигагерц или десятков гигагерц поведение ультразвука на границе этих материалов предсказать почти невозможно. Именно в этом диапазоне работает связь 5G и будущего 6G. На более низких частотах можно считать контакт плёнки с подложкой идеальным для распространения звука. Но с повышением частоты микроскопическое проскальзывание плёнки из-за недостаточной поперечной жёсткости контакта приводит к тому, что фильтр не пропускает сигнал. Разработчики чипов смогут узнать об этом только после многомиллионных затрат.
Специалисты ФИАН совместно с ведущим научным сотрудником Международной лаборатории физики конденсированного состояния, профессором факультета физики НИУ ВШЭ Александром Кунцевичем предложили способ проверить качество контакта ещё до сборки прибора. Вместо создания дорогих прототипов исследователи предлагают использовать тестирование материалов с помощью коротких лазерных импульсов.
Для эксперимента взяли образец из кварцевого стекла, на которое перенесли чешуйку нитрида бора толщиной 600 нанометров. На его поверхности сфокусировали инфракрасный лазерный импульс. Лазер нагрел крошечную область, и по материалу побежала поверхностная акустическая волна. Александр Кунцевич пояснил, что когда в воду бросают камешки, по её поверхности расходятся волны в виде концентрических окружностей. Примерно такие же волны могут распространяться по поверхности твёрдых тел. Такие волны называются поверхностными акустическими рэлеевскими волнами.
Увидеть их глазом сложно, так как скорость распространения большая, а амплитуда обычно очень маленькая. Тем не менее волны несут много важной физической информации о материале, по которому распространяются. Например, по изменению скорости волны и её формы можно судить об упругих свойствах материала и о том, насколько жёстко тонкая плёнка сцеплена с подложкой.
При помощи второго луча специалисты сделали моментальный снимок волны. Первый импульс возбудил звук, как удар по поверхности. Второй импульс направили на ту же поверхность спустя доли наносекунды после первого. Этот луч просканировал поверхность с шагом 0,5 микрометра. Отражение луча менялось в зависимости от того, приподнялся участок поверхности или опустился под действием проходящей волны. Собрав эти данные воедино, исследователи восстановили точную карту вертикальных смещений. Как объяснил профессор, по сути, авторы исследования получили замороженный портрет бегущей волны.
При этом сама структура осталась неповреждённой. Метод не разрушил ни плёнку, ни подложку. Полученное изображение проанализировали при помощи математической модели, которая позволила определить зависимость скорости звука от длины волны. По тому, как скорость меняется с частотой, можно определить, как сцеплены плёнка и подложка. По степени искажения волны авторы рассчитали два параметра жёсткости связи: вертикальную на отрыв и поперечную на сдвиг. Оказалось, что наиболее существенной является та, которая отвечает за скольжение плёнки вбок и которую раньше измерить не удавалось.
Умея определять параметры межслоевой жёсткости, инженеры смогут заранее отбраковывать неудачные материалы и отрабатывать технологические процессы для создания сверхвысокочастотных фильтров. Разработанный метод также пригодится для создания акустических метаматериалов. Это искусственные структуры, которые позволяют управлять звуком заданным образом.
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1037054/