飞秒激光作用下铜薄膜的超快动力学研究

论文摘要

铜薄膜在微机电系统和磁性多层膜结构中有着广泛的应用,对铜薄膜内部超快动力学的研究显得十分必要,这能为各种磁微器件的设计提供重要依据。飞秒激光由于具有脉冲宽度超短和能量密度极高的特点为研究材料的超快动力学过程提供了方法。本文利用飞秒激光泵浦-探测技术对铜薄膜的超快动力学进行了研究。利用磁控溅射技术制备了不同参数的铜薄膜,并对部分薄膜在300℃、500℃和700℃下进行退火处理。利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对样品的表面形貌进行表征。结果表明,300℃退火处理对铜薄膜的微观结构影响很小,晶粒没有明显长大,薄膜的结晶程度低;而经过500℃以上高温退火处理的铜薄膜,其表面出现岛状结构,结晶程度高。利用飞秒激光泵浦-探测技术对铜薄膜进行瞬态反射率测试,研究了退火处理、复合层金属和薄膜厚度对样品反射率变化曲线的影响。结果表明,随着退火温度的升高,AR/R曲线从峰值到达平衡时所用的衰减时间减少;Co和Au金属层对铜薄膜的AR/R曲线有不同的影响,Au层的加入使Cu/Au复合膜中曲线的上升幅值大于Cu单层膜,而Co层可以起到散热、保护表层薄膜的作用;薄膜厚度没有改变AR/R曲线的形状,只是对曲线中的峰值和平衡位置的高度产生了影响。同时,对电子-衬底间的能量输运进行了研究,发现当薄膜的厚度接近光穿透深度并且激光的能量较大时,衬底对样品反射率的影响最为明显。由于硅片比K9玻璃更容易将热量从铜薄膜的电子系统传递到衬底中,从而降低薄膜内的电子温度,因此以硅片为衬底的铜薄膜其ΔR/R曲线的峰值和平衡值均低于以K9玻璃为衬底的铜薄膜。运用双温模型在不同的参数条件下对铜薄膜的超快动力学过程进行了数值模拟。结果表明,在激光加热的初始时刻,电子温度和晶格温度不一致;电子的弹道运动对电子的极值温度影响显著,而对热平衡时的温度和热平衡所用的时间影响较小;随着薄膜内深度的增加,电子温度达到的最大值逐渐降低。通过对实验和模拟进行比较可以发现,实验结果中电子驰豫过程的用时明显短于数值模拟中的用时。这是由于在实验中电子弹道运动和热电子扩散作用的存在,以及薄膜和衬底间的能量输运,加快了薄膜内电子系统的冷却过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 飞秒激光泵浦探测技术
• 1.1.1 飞秒激光的发展和应用
• 1.1.2 飞秒激光超快探测技术
• 1.2 超快动力学研究进展
• 1.2.1 超快热动力学的研究进展
• 1.2.2 超快磁动力学的研究进展
• 1.3 铜薄膜的研究概况和应用领域
• 1.3.1 铜薄膜的研究概况
• 1.3.2 铜薄膜的应用领域
• 1.4 论文研究的内容与意义
• 第二章 铜薄膜的制备与表征
• 2.1 主要实验设备和工作原理
• 2.1.1 磁控溅射镀膜仪
• 2.1.2 中温管式炉
• 2.2 铜薄膜样品的制备与热处理
• 2.2.1 薄膜样品的制备
• 2.2.2 薄膜样品的退火处理
• 2.3 铜薄膜样品的表征
• 2.3.1 扫描电子显微镜分析
• 2.3.2 原子力显微镜分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 铜薄膜的超快动力学研究
• 3.1 实验装置与光路调节
• 3.2 铜薄膜瞬态反射率测试
• 3.2.1 铜薄膜的瞬态反射率
• 3.2.2 退火处理对反射率的影响
• 3.2.3 Co层和Au层对反射率的影响
• 3.2.4 薄膜厚度对反射率的影响
• 3.3 电子-衬底间的能量输运
• 3.3.1 实验研究
• 3.3.2 理论分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 铜薄膜的非平衡超快热动力学数值模拟
• 4.1 非平衡热现象的理论研究
• 4.1.1 特征时间
• 4.1.2 理论模型
• 4.1.3 双温模型中的超快动力学
• 4.2 双温模型的数值模拟
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 模型的有限差分求解方法
• 4.3 数值模拟结果分析
• 4.4 模拟与实验结果对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文