飞秒激光纳米钴薄膜超快动力学特性研究

论文摘要

随着人类生活和生产的信息化,需要存储和处理的信息量日益剧增,这对存储设备的容量和读写速度提出了更高的要求,因此,磁存储设备的存储密度和响应速度成为制约信息化的瓶颈,而深入理解光激发后磁存储材料的超快热化动力学和磁化动力学的微观机理对于突破当前的存储极限尤为重要。飞秒激光所具有的超短脉冲宽度和超高峰值功率为研究材料中的超快动力学过程提供了有效的手段,而钻作为一种典型的过渡族磁性材料,在薄膜磁头、磁记录和磁传感器等领域有着广泛的应用。基于此,本文利用飞秒激光泵浦-探测热反射技术对纳米钻薄膜的超快动力学特性进行了详细的研究。本文主要包括以下几个内容：首先,采用磁控溅射技术在硅片和玻璃基底上制备了不同厚度的钴薄膜样品,并取部分样品分别进行了300℃、400℃和500℃退火处理,利用扫描电子显微镜、原子力显微镜和X射线衍射仪对样品的表而形貌、颗粒大小及其分布和晶体结构进行了表征。结果表明：当沉积的钴薄膜厚度较小时,表面光滑平整,颗粒细小,呈连续状态。随着薄膜厚度不断增加,颗粒尺寸有逐渐增大的趋势；经过300℃和400℃退火处理后,钴薄膜的微观结构发生了变化,但没有观察到明显的晶粒析出；而经过500℃退火处理后,薄膜表面的岛状结构增大,出现了明显的结晶现象；同时发现,玻璃基底上制备的薄膜质量比硅片基底上的好。其次,基于泵浦-探测技术原理,自行搭建了飞秒激光瞬态热反射实验系统。利用该系统,在低能量激光脉冲激发下,通过测量不同薄膜厚度、退火处理、复合层、基底材料、泵浦光功率和泵浦光入射角等条件下薄膜的瞬态反射率和瞬态透射率,对其超快的热化动力学过程进行了分析和研究。结果表明：飞秒激光加热后,反射率变化曲线可以分为4个部分：稳定阶段、上升阶段、衰减阶段和恢复阶段,曲线在133.4fs的时间内从初始的稳定值突变到极值,随后有一个缓慢的衰减过程,大约几个皮秒；随着薄膜厚度增加,反射率曲线的极值逐渐减小,曲线衰减过程的速率加快,且恢复到平衡时的位置降低,这主要是电子弹道运动和热扩散分别作用的结果；退火处理使得薄膜反射率曲线的极值降低,且恢复到平衡时所用的时间增加,这是由于退火后薄膜的晶粒大小发生了变化；不同的复合金属层（Cr、Cu、Ag）的加入,使得反射率变化曲线恢复到平衡时的时间随着金属层G值的增大而减小,且恢复到的平衡位置降低；当薄膜的厚度接近光穿透深度时,基底对样品反射率的影响显著,此时薄膜内的电子系统温度可以通过电子-声子耦合和电子-基底间的能量输运两个途径来冷却,随着厚度增大,基底的影响减弱；随着泵浦光的功率增大或入射角减小,反射率变化曲线到达的极值都会增大；薄膜厚度、退火处理、不同复合层和泵浦光功率都会影响透射率变化曲线的极值和恢复到平衡状态时的位置,而退火处理和复合层还对曲线恢复到平衡状态的时间有影响最后,当超短激光脉冲与材料相互作用时,如果加热时间与材料中的载流子弛豫时间在数量级上相当,可能会在金属中观察到电子和晶格温度的非平衡现象,而在铁磁材料中还可以观察到自旋引起的退磁现象。目前,用于描述超短脉冲激光与金属或铁磁材料相互作用的模型主要有双温模型和三温模型。本文基于这两种模型,采用有限差分方法对飞秒激光作用下钴薄膜的超快热化动力学和自旋动力学过程进行了数值模拟。双温模型模拟结果表明：在激光辐照初期,电子和晶格系统之间存在明显的非平衡现象,电子系统的温升要明显大于晶格系统；电子热容、激光脉冲宽度和激光能量密度对峰值电子温度有较大的影响；电子-声子耦合系数越大,晶格温度的上升速率越快,电子和晶格温度恢复到平衡状态的时间越短,而它们到达平衡时的温度差别不大；在同一时刻,随着薄膜内深度的增加,电子温度逐渐降低,且电子温度梯度随时间延迟先增大后减小。三温模型模拟结果表明：引进一个类似于电子热容系数的γs来描述自旋热容随自旋温度的变化趋势,能够更好的描述自旋系统温度随时间的变化；晶格-自旋耦合系数在一定程度上决定了自旋系统温度达到最大值的延迟时间,而电子-自旋祸合系数从量上决定了自旋系统所能达到温度的最大值,说明薄膜的退磁过程是晶格-自旋和电子-自旋共同作用的结果；激光能量密度越大,电子、晶格和自旋系统的峰值温度越高,并且整个系统达到平衡时的温度也越高；同时,当激光能量密度较高时,修正前后的自旋热容模型得到的最大自旋温度相差较大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁性纳米材料
• 1.2.1 磁性纳米材料的发展
• 1.2.2 磁性纳米材料的应用
• 1.3 飞秒激光泵浦-探测技术
• 1.3.1 飞秒激光的发展和应用
• 1.3.2 飞秒激光泵浦-探测技术
• 1.4 国内外研究进展
• 1.4.1 国外研究进展
• 1.4.2 国内研究进展
• 1.5 论文的研究意义及主要内容
• 第二章 超快动力学过程理论基础
• 2.1 超快动力学过程及其理论
• 2.1.1 金属受光激发后的非平衡过程
• 2.1.2 铁磁薄膜受光激发后的非平衡过程
• 2.2 超快动力学过程理论分析方法
• 2.2.1 Boltzmann输运理论简介
• 2.2.2 量子分子动力学方法简介
• 2.3 理论模型分析
• 2.3.1 热波模型
• 2.3.2 双相延迟模型
• 2.3.3 双温两步模型
• 2.3.4 三温模型
• 2.3.5 其他相关模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 钴薄膜样品的制备与表征
• 3.1 钴薄膜样品的制备
• 3.1.1 磁控溅射镀膜技术及设备
• 3.1.2 钴薄膜样品的镀膜
• 3.1.3 钴薄膜样品的热处理
• 3.2 钴薄膜样品的表征
• 3.2.1 扫描电镜（SEM）分析
• 3.2.2 原子力显微镜（AFM）分析
• 3.2.3 X射线衍射（XRD）分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 钴薄膜超快动力学过程实验研究
• 4.1 飞秒瞬态热反射技术
• 4.1.1 飞秒瞬态热反射技术的实现原理
• 4.1.2 反射率变化的测量过程
• 4.1.3 反射率与温度的函数关系
• 4.2 飞秒瞬态热反射实验系统的建立与调节
• 4.2.1 实验系统的建立
• 4.2.2 信号采集系统
• 4.2.3 实验系统零点的标定
• 4.2.4 实验系统的降噪调节
• 4.3 钴薄膜的瞬态反射率变化特性
• 4.3.1 薄膜厚度对瞬态反射率的影响
• 4.3.2 退火处理对瞬态反射率的影响
• 4.3.3 复合层对瞬态反射率的影响
• 4.3.4 基底材料对瞬态反射率的影响
• 4.3.5 泵浦光功率对瞬态反射率的影响
• 4.3.6 泵浦光入射角对瞬态反射率的影响
• 4.4 钴薄膜的瞬态透射率变化特性
• 4.4.1 薄膜厚度对瞬态透射率的影响
• 4.4.2 退火处理对瞬态透射率的影响
• 4.4.3 复合层对瞬态透射率的影响
• 4.4.4 泵浦光功率对瞬态透射率的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 钴薄膜超快动力学过程数值模拟
• 5.1 基于双温模型模拟
• 5.1.1 双温模型（Two Temperature Model,TTM）
• 5.1.2 方程离散处理
• 5.1.3 模型的数值求解
• 5.1.4 结果与讨论
• 5.2 基于三温模型模拟
• 5.2.1 三温模型（Three Temperature Model,3TM）
• 5.2.2 方程离散处理
• 5.2.3 模型的数值求解
• 5.2.4 结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读博士学位期间发表的论文及取得的科研成果