銀薄膜的超快熱化動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、利用飛秒瞬態(tài)熱反射(FTTR)技術(shù),可以分辨并探測(cè)微觀熱載流子間的相互作用,進(jìn)而研究受激材料內(nèi)部的非平衡熱現(xiàn)象和微觀能量輸運(yùn)過(guò)程。隨著各種器件逐漸向高速化和微型化發(fā)展,探測(cè)厚度為納米級(jí)的金屬薄膜內(nèi)部動(dòng)力學(xué)行為對(duì)器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文利用飛秒激光泵浦.探測(cè)熱反射實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)Ag薄膜中的熱輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　 采用磁控濺射技術(shù)制備了不同參數(shù)的Ag薄膜及復(fù)合薄膜,并對(duì)部分樣品進(jìn)行了退火處理。使用X射線衍射儀(XR

2、D)、掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)樣品的成分、晶體結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征,發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的增加,薄膜的晶粒尺寸逐漸增大,退火后薄膜團(tuán)聚成顆粒狀。
　　 超短脈沖激光加熱金屬時(shí),金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的溫度分布。當(dāng)加熱時(shí)間和電子-聲子間相互作用時(shí)間相當(dāng)時(shí),電子溫度會(huì)高于晶格溫度,從而產(chǎn)生非平衡熱輸運(yùn)過(guò)程。本文利用雙溫模型(TTM)在不同的參數(shù)條件下對(duì)Ag薄膜內(nèi)部的電子-聲子動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn),

3、飛秒激光作用于Ag薄膜時(shí),在100fs時(shí)間內(nèi)電子系統(tǒng)溫度上升到極值,隨后通過(guò)電子-聲子間相互作用將能量傳遞給晶格系統(tǒng),幾個(gè)皮秒后二者到達(dá)熱平衡狀態(tài)。電子溫度與晶格溫度在薄膜內(nèi)存在溫度梯度；隨著激光功率的增大,薄膜表層區(qū)域電子到達(dá)的峰值溫度升高,電子和晶格間的非平衡作用時(shí)間增加；電子的彈道運(yùn)動(dòng)使得吸收的熱量向薄膜更深處傳遞,從而降低了薄膜表面區(qū)域的溫度,而彈道運(yùn)動(dòng)對(duì)金屬薄膜超快動(dòng)力學(xué)的影響程度由彈道運(yùn)動(dòng)范圍決定。
　　 利用飛秒激

4、光泵浦-探測(cè)熱反射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在不同的參數(shù)條件下對(duì)Ag薄膜及其復(fù)合薄膜中的熱輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明,在光穿透深度和彈道運(yùn)動(dòng)范圍共同影響下,隨著薄膜厚度的增大,樣品反射率變化(ΔR／R)曲線到達(dá)的極值逐漸降低,恢復(fù)到平衡時(shí)的值也降低；薄膜厚度在光穿透深度范圍內(nèi)時(shí),襯底對(duì)樣品反射率影響顯著；Ag／Cr／Ag和Ag／Cr復(fù)合薄膜中Cr層起散熱層的作用,使得薄膜表層的熱量從Ag薄膜電子系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移到Cr層晶格系統(tǒng)；退火處理、泵浦光功率大小