江苏激光联盟导读：

据悉，一个非接触的测量手段，使用激光超声技术来表征纳米结构材料的详细的弹性性质来帮助工程技术人员和科学家来决定纳米材料是否适宜加工成一定的部件。这些决定取决于材料的机械性质。

成果简介：

硅中的纳米气孔会导致主动的半导体器件的新的功能问世。由于对这类材料难以进行评估机械性能而显著的限制这类材料在纳米流体和生物传感器以及药物输送、能量存储以及光电子等领域中的应用。在这里，我们为大家展示了一个以激光激发为基础的弹性指引波来无接触的和无损的，在干燥和液体填充的单晶多孔硅中进行探测。实验揭示了一个自组装的100亿的平行的纳米气孔每平方分米的横截面导致了一个几乎为各向同性弹性垂直于气孔的轴和一个80%的有效强度的减少，同时伴随着在体积硅中的立方各向异性的显著偏移。我们的完全的关于纳米多孔硅的薄片尺度的评估的机械性能为鲁棒性的插芯片器件的预测应用和激光超声的近来的开拓性的进展开辟了针对干燥和液体功能化的条件下的多孔材料的全新的原位、无损和机械性能的表征的新的前言。

图 1 激光超声实验

材料的纳米结构会导致新颖的，甚至经常是令人惊奇的性质。这一点为潜在的应用和技术开发打开了大门，这一能力决定了他们真实的机械性质，并且，其测量结果，用来判断一个特定的材料是否适合某一特定的应用往往是非常困难的。性质在测量的时候会发生改变。其他的确定性试验会损害材料的性能。

一个由来自德国电子同步加速器的（DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron)）Patrick Huber和TU Hamburg 所领导 的德国-法国的研究团队，使用一个脉冲的UV激光在多孔硅中来产生热弹性的振动，而不需要进行直接接触。采用的激光是一种被动的Q-转换频率的三倍频率ND：YAG（即钇铝石榴石）激光，激光波长为355nm，脉冲重复频率为500 Hz，脉宽在25 μJ脉冲能量的时候为350 ps，峰值功率为 60KW。脉冲的持续时间为一秒的十亿分之一时间的时候激发纳米多孔硅膜来在超声范围内进行振动，以一种类似水滴击中水的表面的方式进行。这一振动，在超声的范围，穿透材料的整个单晶材料，HUber说道。材料的体积范围内，导致材料的表面的本质特征和指引弹性波取决于纳米结构的硅的方向相关的弹性性质的变化程度。

研究小组使用激光干涉仪（尤其是，迈克尔逊干涉仪）来以无接触的方式探测这些波和无损的方式来确保材料的力学行为可以被演绎出来，以帮助弹性波的适宜模型的建立。干涉仪配备一个倍频的ND：YAG激光，该激光运行的激光波长为532nm，功率设置在60 mW。

图· 本成果的示意图：同水滴击中水的表面相类似，短的激光脉冲持续的时间只有一秒的十亿分之一的时间，在纳米多孔硅薄膜的上激发来产生一个在超声波范围内的波。弹性的波在膜内扩展，整个纳米多孔被液体所填充，从而采用秒级的激光干涉仪来进行测量，因此实现了无接触的和物损伤的前提条件下对复合的纳米材料进行力学表征成为可能。膜的展示是基于纳米多孔的硅的孔直径为7nm的前提条件下得到的电子照片来进行绘制的。

传统的超声测量所具有的不利之处在于样品必须同测量设备进行直接的机械接触，即要同超声的生成器和接收器相接触，Marc Thelen说道，他是该论文的第一作者和属于Huber研究小组的博士后研究人员。本研究是应用液体来进行耦合。多孔材料吸收这些耦合的液体，因此经典的超声实验就变得失效了。相反，我们可以实现研究孔的液体填充的硅，由此展示出多孔材料的机械行为，该材料在功能化液体后可以被超声进行详细的分析。

图 纳米多孔硅的气孔的放大

对于纳米结构的硅样品，研究小组研究了其组织中包含平行的纳米孔。实验显示在传统的硅单晶中的行为同当前的显著不同，这就是半导体工业中所称的薄片。

在另外一方面，我们可以展示出高的纳米孔隙率会导致强度的显著的降低。然而，它也会导致在硅晶体中的同方向相关的弹性会显著的取消掉， Claire Prada说道，他是法国巴黎的朗之维学院（Institut Langevi）的德国-法国合作研究小组的合作伙伴。比较令人惊奇的是，我们也可以探测在纳米尺度层面上的管状孔的直径（锥形）的轻微的变化。

图 纳米多孔硅的扫描电镜照片：a 侧视图，b 俯视图

纳米多孔固体，其气孔的空间填充液体（如本工作中的硅膜），已经导致了用于生物传感器、能量储存器、水处理所用的高性能材料的发展。额外的，研究人员在他们的论文中声称，纳米多孔硅，尤其对研究和应用的不同场合非常有用。因为它提供了一个具有各向气孔的单相单晶的介质，他可以用来研究材料的限制效应。它的光学、热学和热性质，也额外的支撑了它在光电子、热电子和MEMS等领域的应用。

图 激光超声实验装置的示意图

在当前的联合研究的框架下，研究小组打算组合激光为基础的超声来研究同其他测量手段结合在一起。该研究成果以论文题目“Laser-excited elastic guided waves reveal the complex mechanics of nanoporous silicon”发表在顶刊《Nature Communications》上。

文章来源：Thelen, M., Bochud, N., Brinker, M. et al. Laser-excited elastic guided waves reveal the complex mechanics of nanoporous silicon. Nat Commun 12, 3597 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23398-0

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