Studio sperimentale e teorico della tecnica di eccitazione fototermica

This thesis presents an experimental and theoretical investigation of the photo thermal excitation of microcantilevers, with the aim of characterizing the mechanical response induced by the interaction between the cantilever and a laser source. Pho tothermal excitation relies on the localized heating of the cantilever and on the difference in thermal expansion between the substrate and its metallic coating, resul ting in a measurable deformation of the microstructure. The experimental activity was carried out using an interferometric measurement system, through which phase variations associated with cantilever displacement were acquired and subsequently processed. Different signal-processing approaches were investigated, including Peak Tracking, the Phase-Shifting Method, and a method based on the Wiener–Khinchin theorem. Particular attention was devoted to measurement stability through Allan deviation analysis, which was used to identify a suitable time interval in which the influence of long-term drift and fluctuations could be limited. The photothermal response was obtained by comparing measurements performed with the excitation laser switched ON and OFF and by removing the background drift contribution. An exponential model was subsequently applied to the corrected response in order to determine the thermal transient of the system. Measurements performed at different positions along the cantilever showed a position-dependent response. Near the free region the displacement is approximately 9.7 nm with a τ of 7.3s, the other two zones of interests, near the clamped region and intermediate, are covered by noise, the results are not reliable. Finally, the theoretical contribution associated with radiation pressure was also considered. Since the resulting deformation was found to be in the picometre range, the results indicate that, under the investigated experimental conditions, the cantilever response is predominantly governed by the photothermal effect.

Il presente lavoro di tesi è dedicato allo studio sperimentale e teorico dell’eccitazione fototermica di microcantilever, con l’obiettivo di caratterizzarne la risposta meccanica indotta dall’interazione con una sorgente laser. L’eccitazione fototermica sfrutta il riscaldamento localizzato del cantilever e la differente dilatazione termica tra il substrato e il rivestimento metallico per produrre una deformazione della microtrave. L’attività sperimentale è stata condotta mediante un sistema di misura interferome trico, attraverso il quale sono state acquisite e successivamente elaborate le variazioni di fase associate allo spostamento del cantilever. Sono stati analizzati differenti metodi di elaborazione del segnale, tra cui il Peak Tracking, il Phase-Shifting Method e il metodo basato sul teorema di Wiener–Khinchin. Particolare attenzione è stata dedicata alla stabilità della misura mediante l’impiego della deviazione di Allan, utilizzata per individuare un intervallo temporale nel quale limitare l’influenza delle derive e delle fluttuazioni a lungo termine del sistema. La risposta fototermica è stata ricavata confrontando le acquisizioni effettuate nelle condizioni di laser acceso e spento e rimuovendo il contributo della deriva di fondo. L’applicazione di un modello esponenziale ha quindi consentito di determinare il transiente termico del sistema. Le misure effettuate in differenti regioni del cantilever hanno evidenziato una risposta dipendente dalla posizione: nella zona punta-aria, lo spostamento, verso l’alto, è di 9.7 nm con un transiente termico di 7.3 s, nelle altre due zone invece, il rumore copre lo spostamento, dunque sono risultati non attendibili. Infine, il confronto con il contributo teorico della pressione di radiazione, caratterizzato da deformazioni dell’ordine dei picometri, evidenzia la predominanza dell’effetto fototermico nelle condizioni sperimentali considerate.