Звуковой портрет: как физики «фотографируют» ультразвук для тестирования материалов 6G

Современные смартфоны используют акустические фильтры, которые преобразуют электромагнитный сигнал в ультразвук и обратно, чтобы отсеивать помехи. С повышением частот связи, как в 5G и будущем 6G, традиционные методы тестирования перестают работать: на гигагерцовых частотах поведение ультразвука на границе пленки и подложки становится непредсказуемым. Даже микроскопическое проскальзывание пленки из-за недостаточной поперечной жесткости может сделать фильтр неработоспособным, причем разработчики узнают об этом только после многомиллионных затрат.

Лазерный «снимок» звуковой волны

Ученые предложили альтернативу — вместо создания дорогих прототипов тестировать материалы с помощью коротких лазерных импульсов. В эксперименте использовался образец из кварцевого стекла с нанесенной чешуйкой нитрида бора толщиной 600 нанометров. Первый инфракрасный лазерный импульс нагрел крошечную область поверхности, возбудив поверхностную акустическую волну — по аналогии с кругами на воде от брошенного камня.

«Когда в воду бросают камешки, по ее поверхности расходятся волны в виде концентрических окружностей. Это поверхностные волны. Примерно такие же волны могут бегать по поверхности твердых тел, они называются поверхностными акустическими рэлеевскими волнами», — пояснил ведущий научный сотрудник Международной лаборатории физики конденсированного состояния, профессор факультета физики НИУ ВШЭ Александр Кунцевич.

Как измерить невидимое

Второй луч, направленный на ту же поверхность спустя доли наносекунды, просканировал ее с шагом 0,5 микрометра. Отражение менялось в зависимости от вертикальных смещений, вызванных проходящей волной. Собрав данные, ученые восстановили точную карту этих смещений — «замороженный портрет» бегущей волны. Метод оказался полностью неразрушающим: ни пленка, ни подложка не пострадали.

Полученное изображение проанализировали с помощью математической модели, определив зависимость скорости звука от длины волны. По степени искажения волны авторы впервые смогли рассчитать два параметра жесткости связи: вертикальную (на отрыв) и поперечную (на сдвиг). Самой важной оказалась поперечная жесткость, отвечающая за скольжение пленки вбок — именно ее раньше измерить не удавалось.

«Создать прибор и убедиться, что он не работает из-за плохого акустического согласования, — неприятно и крайне затратно. Гораздо лучше тестировать заранее взаимодействие различных пар материалов, а потом уже пытаться создать из них прибор. Наша методика быстрая, полностью оптическая и неразрушающая», — подытожил Александр Кунцевич.

Возможность заранее оценивать параметры межслоевой жесткости позволит инженерам отбраковывать неудачные сочетания материалов и отрабатывать технологические процессы для создания сверхвысокочастотных фильтров. Кроме того, метод пригодится при разработке акустических метаматериалов — искусственных структур, управляющих звуком заданным образом. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters, работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.