双飞秒泵浦光束激发下铜及合金薄膜内电子非平衡热输运时间研究

• 作 者: 杨逢逢
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 飞秒激光 泵浦-探测 纳米金属薄膜 瞬态反射率 弛豫时间

随着纳米金属薄膜在微机械、微电子领域的广泛应用,膜内的热障效应及尺度效应成为限制技术进一步发展的重要因素。因此,对纳米薄膜材料内热效应的研究成为一大研究热点。而飞秒激光的泵浦探测技术为观测、研究微观能量转换与传递过程提供重要手段。本文主要采用飞秒激光的泵浦探测技术观察纳米金属薄膜表面的瞬态反射率变化,分析非平衡热输运现象,研究其弛豫时间。本文的内容主要包括以下几个部分:第一部分简单介绍了金属薄膜内非平衡热输运过程、描述电子温度与晶格温度的双温模型和电子—晶格温度与薄膜表面瞬态反射率的关系。第二部分的工作内容分为两个方面,一方面是建立了双光束飞秒激光泵浦-探测的实验系统,双光束是指利用分束镜将一束泵浦激光分为两束能量相等的泵浦光。这部分介绍了主要实验仪器及其工作原理和实验光路的搭建。另一方面是介绍了实验样品的制备,包括金属靶材、薄膜衬底的选择,磁控溅射镀膜原理、设备及镀膜步骤。第三部分工作是利用双光束泵浦探测试验系统,测量不同泵浦功率、不同厚度下的Cu、Cu-Ag、Al和Ti-Al纳米薄膜样品的表面瞬态反射率随延迟时间的变化曲线,研究膜内非平衡热输运过程,分析电子和晶格的运动规律,讨论电子的热化时间、晶格的加热时间和弛豫时间的规律及影响因素。研究发现:对于Cu、Cu-Ag薄膜,只有在薄膜厚度较大且泵浦功率较高的情况下,膜内才会发生两次非平衡热输运,且两次非平衡热输运的弛豫时间并不完全一致,这是由实验光路中泵浦光分布不均所致。金属薄膜表面反射率震荡的幅度与激光总泵浦功率成正比。对于Al和Ti-Al薄膜,其平衡热输运现象可在较小厚度或较小泵浦功率的情况下激发。当薄膜厚度较小时,Al和Ti-Al薄膜的弛豫时间也比较小,泵浦功率变化对弛豫时间影响不明显。当泵浦功率较大时,Al和Ti-Al薄膜内的弛豫时间也较大,薄膜厚度对弛豫时间的影响不明显。