铝传感层蒸镀速率对飞秒激光抽运探测热反射方法测量热导率影响的研究

对飞秒激光抽运探测热反射实验中的一个关键因素传感层进行了研究，发现铝传感层的蒸镀速率对飞秒激光抽运实验有着很大的影响。分别在3种不同类型的硅片和玻璃片基底上用不同的蒸镀速率蒸镀了100nnm的铝膜蒸镀速率控制在2×10^-10到15×10^-10m／s。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线反射（XRR）研究了蒸镀铝膜表面的形貌及铝膜的厚度。基于飞秒激光抽运探测热反射方法对基底的热导率进行了测量，发现随着蒸镀速率的增大，不同基底测量得到的热导率呈现一致的规律。结果表明，蒸镀速率越大，铝传感层的晶粒越大，传感层的体积热容越小，当蒸镀速率大到一定程度时，由于晶粒的不规则度越来越大，反过来又影响体积热容的大小，从而影响了飞秒激光抽运探测热反射。

飞秒激光抽运探测热反射法对金属纳米薄膜超快非平衡传热的研究

随着微电子器件尺寸的减小、工作频率的提高,金属薄膜中电子与声子将处于非平衡状态,这将导致微电子器件的热阻增大.为准确地对这些微电子器件进行热管理,电子-声子耦合系数的测量变得越来越重要.本文采用飞秒激光抽运-探测热反射法研究了不同厚度的金属纳米薄膜的非平衡传热过程.通过抛物两步模型对实验数据进行拟合,在拟合过程中引入电子温度与声子温度对反射率影响的比例关系,从而优化了拟合结果.通过对不同厚度的Ni膜与Al膜的电子-声子耦合系数的研究,表明金属薄膜中的电子-声子耦合系数并不随薄膜厚度的改变发生变化.实验结果还验证了探测光的反射率同时受到电子温度和声子温度的影响,并通过数据分析量化了电子温度和声子温度对反射率的影响系数.

三束飞秒激光辐照下铜膜内电子非平衡热输运

首先采用有限元法数值计算了铜膜内的电子温度和晶格温度分布变化,揭示了铜膜内电子非平衡热输运时间随飞秒激光光束参量的变化情况。仿真结果表明,铜膜内的电子非平衡热输运时间会随着泵浦光束数量及脉冲能量密度的增加而增加,并且使用三束飞秒泵浦激光作用时,电子非平衡热输运时间比单脉冲作用时的电子非平衡热输运时间增加了3倍。其次使用三束飞秒激光泵浦的泵浦-探测实验系统进行验证。实验结果表明:通过用具有一定延时的三束飞秒泵浦激光作用铜膜时,铜膜表面的瞬态反射率出现三次突变,使电子非平衡热输运时间得到极大延长,从而大幅度消除激光加工热障,并提高加工的质量、精度和效率。

磁性材料超快动力学研究与飞秒抽运探测技术

阐述了磁性材料的重要性及其超快过程研究中存在的问题,对飞秒抽运探测(Pump-probe)技术的试验方法和原理进行了论述。介绍了飞秒抽运探测技术对磁性材料中磁化动力学过程的研究现状,以及抽运探测在磁性材料研究中的新发展——对磁致伸缩材料中的磁化动力学过程研究、对材料复介电常数的测定和光学探针技术的引入,为磁性材料的应用和磁化动力学研究提供了新的方向。

近红外飞秒激光作用下金膜中的超快电子动力学

利用超快泵浦探测技术,研究了近红外飞秒强激光脉冲作用下,金膜中的超快电子动力学过程。研究发现,800 nm飞秒激光激发后,金膜的瞬态反射率存在一个下降过程。通过对金膜的瞬态反射率光谱进行分析和模拟,发现主要是自由电子弛豫和带间双光子跃迁这两种电子动力学过程综合作用的结果。利用双温模型,模拟了800 nm飞秒激光作用下金膜的温度弛豫和瞬态反射率变化过程,理论计算结果与实验结果符合良好。

飞秒激光抽运探测方法测量液体热导率

基于双色飞秒激光抽运探测方法,本文提出一种能够快速测量液体热导率的实验方法,具有测量便捷、精度高,液体用量少等优点.该方法测量过程中液体温升小,液体自身热物性不发生变化,液体内部自然对流传热微弱,对液体热导率测量的干扰可以忽略.对测量过程中样品内部的热输运过程进行了分析,建立了用于分析测量数据的双向热输运模型,并利用该模型对可能影响测量精度的物理参数进行了敏感度分析,包括玻璃基底的热导率、铝传感层的厚度以及抽运激光的调制频率,敏感度分析可以对被测量样品的结构设计和实验条件的选取起到指导作用.利用该实验方法对水和十六烷2种液体的热导率进行了测量,测量结果分别约为0.6和0.14 W/(m K),测量误差分别为2%和10%,与文献报道值吻合程度较高,验证了该实验方法的有效性.另外,该方法还适用于熔点较低的固体热导率的测量(如石蜡等),以及固-液界面热导的测量等.

基于飞秒激光抽运-探测法的微米结构热物性扫描成像系统

本文基于双波长飞秒激光抽运探测系统,建立了非接触式热物性扫描成像系统。实现对具有微米尺度结构材料的表面热物性扫描探测,空间分辨率为6μm。我们采用这种方法对Cu、Sn材料组成的微结构进行了扫描热成像。结果表明该方法可以实现微米结构材料的热物性扫描成像,但是热物性测量结果的准确性与待测样品表面粗糙状况密切相关。因此对于使用该方法进行微米分辨的热物性扫描成像时,对样品表面要进行有效的平滑处理。

双波长飞秒激光抽运-探测法测量纳米薄膜及界面热物性

建立了用来研究时间空间微尺度传热现象的双波长飞秒激光抽运-探测热反射系统,与常规的单波长飞秒激光抽运探测系统相比,双波长的光路设计方案可以大幅提高信噪比,并使共线的聚焦光路更易实现,从而提高测量的准确度。建立了与实验测量过程相应的多层膜热传导模型,并实现了多参数拟合,可用于对体材料或薄膜材料的热导率以及界面热导的准确测量。本文采用这种先进的测量方法测量了SiO_2纳米薄膜的热导率及其与Si之间的界面热导。

拍瓦级激光系统前端波前热畸变和晶体动态热透镜效应的测量

为了有效改善飞秒拍瓦激光系统的输出波前质量,研究了10Hz前端激光脉冲的波前随泵浦能量的变化特性。结果表明:由于增益介质的热效应,放大光束的斯特尔率(Strehl ratio)随泵浦能量的增加而下降,这说明光束的聚焦性能发生改变。利用波前展开的Zernike系数,进一步分析研究发现,由于热透镜效应,经多通放大的激光脉冲波前不仅离焦量发生了变化,像散量也发生了变化。离焦量和像散畸变是光束经过多程放大后畸变变化的两个主要分量,要改善波前必须予以补偿。在此基础上,用He-Ne光作为探测光,测量了实验装置中的钛宝石在不同泵浦能量下的热焦距,与基于钛宝石晶体参数计算出的理论值符合较好。

飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热的研究

飞秒激光与金属作用后,电子被瞬间加热,电子温度将远远高于声子温度,并逐渐将能量传递给声子,这种非平衡过程中电子和声子间传热能力由电子-声子耦合系数表征。而到目前为止电子-声子耦合系数是否存在尺度效应还存在争议。采用飞秒激光抽运-探测法对金纳米薄膜非平衡传热过程进行了研究,利用抛物两步模型对实验数据进行拟合。通过对不同厚度的金纳米薄膜的电子-声子耦合系数的比较,研究表明,电子-声子耦合系数随着薄膜厚度的增加而减小。实验结果与已报道的基于电子自由程提出的理论模型所预测的变化趋势相一致。

飞秒激光热反射系统测量金属薄膜中的热波

金属材料中的热波现象可以利用包含电子弛豫时间影响的双曲两步模型进行理论分析.通过飞秒激光热反射实验系统对金属薄膜材料进行了测量.利用偏振分光棱镜将飞秒激光分成抽运光和探测光,其中较强的抽运光用于加热金属薄膜而较弱的探测光用于探测薄膜表面反射率随时间的变化,两束光之间的光程差通过步进电机进行精确控制.利用金属薄膜反射率和电子温度的正比例关系就可以得到电子温度随时间的变化规律.实验发现在加热激光脉冲过后的电子温度下降区间会出现另一个较弱的电子温度波峰,并利用相同厚度的两块金属薄膜样品重复测量对实验结果进行了验证.理论上这一现象可以解释为金属薄膜中热波在背面反射的结果,并且实验结果和双曲两步模型给出的热波理论计算结果相符合.根据实验结果计算出热波传递速度约为5×105m/s,对应的电子弛豫时间为60fs.

金属/非金属间界面热导的飞秒激光瞬态热反射法测量

搭建了飞秒激光泵浦-探测瞬态热反射测量系统,利用该系统测量Al/SiO2,Al/Si,Au/SiO2,Au/Si四种样品的界面热导.测量结果表明,对于同一种金属薄膜,基底热导率越低,金属与基底间的界面热导越小.通过引入DMM模型中的声子透过率,初步解释了实验结果.

飞秒激光热反射实验系统测量金属薄膜中的超快速热传递过程

飞秒激光热反射技术已经成为研究不同材料中超快速热传导过程的有效实验方法。实验中采用前表面加热、后表面探测的方法对不同厚度的Au薄膜进行了测量,通过比较表面电子温度可以得到超快速激光加热条件下Au薄膜材料中电子温度振荡的传递速度。结果表明瞬态条件下非平衡态电子是热量的主要载体,根据实验测量值拟合得到的能量传递速度接近于非平衡态电子气热扩散模型中的温度振荡传播速度。瞬态条件下电子气中热量传递规律的深入研究有利于高集成度微电子器件的热优化设计和飞秒激光精密加工技术的发展。

基于飞秒激光时域热反射法的微尺度Cu-Sn金属间化合物热导率研究

利用双波长飞秒激光时域热反射系统对微尺度Cu-Sn金属间化合物的热输运性能开展研究。利用回流与时效工艺制备Cu-Sn扩散偶,界面处生成均匀连续的Cu_(6)Sn_(5)和Cu_(3)Sn金属间化合物,材料厚度均在微米量级且Cu_(6)Sn_(5)的(001)晶面具有明显的择优取向特征。由于实验参数对待测参量的敏感度会影响拟合精度,重点分析了铝传感层厚度与加热光调制频率对金属间化合物热导率测量敏感度的影响,以选定具体的实验参数。经测试,Cu_(6)Sn_(5)和Cu_(3)Sn的热导率分别为47.4和87.6 W/(m·K),均略高于已有研究报道,分析认为主要是由于样品制备技术不同而导致的材料微观结构差异所致。讨论了加热光斑尺寸、铝传感层厚度及材料比热容的不确定性对热导率测量误差的影响,得到Cu_(6)Sn_(5)热导率误差为-6.8%~4.6%,Cu_(3)Sn热导率误差为-7.1%~4.4%。本工作表明飞秒激光时域热反射技术在电子封装微尺度金属间化合物热输运特性研究方面具备适用性,所得实测数据对于电子封装热设计及可靠性评价有重要参考意义。

飞秒脉冲激光加热金属薄膜的理论和实验研究

超短脉冲激光加热可应用于研究材料中载能子之间的超快相互作用,同时也广泛应用于超快激光加工.此前人们提出的双温度模型和抛物一步模型都只能用于描述超短脉冲激光加热金属薄膜后热量传递过程的特定片段.基于双温度模型和傅里叶导热定律,提出普适的理论模型可用于完整描述飞秒激光加热金属薄膜/基底时的整个热量传递过程.同时在300K温度下,采用背面抽运-表面探测瞬态热反射法实验研究了飞秒脉冲激光加热金属薄膜的热量传递过程,理论预测曲线和实验测量结果符合较好,验证了理论模型的正确性.基于此模型测量得到了金薄膜的电子-声子耦合系数和金/玻璃,金/碳化硅间的界面热导,测量结果和文献报道值符合较好.其中电子-声子耦合系数和体材料值接近,没有表现出明显的尺寸效应.界面热导比散射失配模型的预测值大,可能是电子参与界面导热、界面原子扩散及声子在界面的非弹性散射等造成的.

用飞秒激光抽运探测器揭示激子的形成

华盛顿州立大学和洛斯*阿拉莫斯国家实验室的研究人员正在使用超短激光脉冲研究发生在半导体材料和光电材料中电荷传导的详细情况。固体中电子的运动通常用在整个晶体中扩展的量子态来描述，例如Bloch波。但是，为了了解日趋重要的半导体材料的工作机制和相应属性，现在描述的项目必须包括局域电子态的动力学过程和局域光诱导态对光学特性和传输特性的影响。这些材料特性包括在不定形硅的亚稳定缺陷，砷化镓(GaAs)相关半导体中的DX点，有机光辐射装置中的局域激子。 两单位的研究人员正通过观察自由电子和振子能级间的相互影响研究这种局域激发。在基于交互铂溴化物离子无机聚合物的准一维结构基础上，他们正研究自陷激子的结构(见图)。 “低维材料，特别是准一维材料，是研究这种电子晶格相互作用的理想系统。”华盛顿州立大学Susan Dexheimer认为：“较低的维数可导致较强的电子和光子相互作用，材料的线性结构可简化动力学结构空间。在这种情况下，主要的运动可认为是沿着线性轴方向进行。”飞秒抽运探测技术可用于观察、研究工作，利用脉宽35 fs宽，中心波长800 nm，1 kHz重复率的Ti∶宝石激光脉冲序列激发复合金属卤化物中的光学相互价电荷转移(IVCT)跃迁(在实验中激发波长为800 nm时，铂溴化乙二胺的激发辐射光峰值在500 nm)。实验中的探测光利用从抽运脉冲分离出的信号光，或利用激发2 mm厚的钛宝石产生的宽带飞秒连续激光脉冲。 随着IVCT跃迁激发，200～300 fs寿命的自陷激子构成伴随着强抑制低频调制波包(～110 cm-1)。研究人员在基态振动频率和谐波之间观察到耦合振荡。 “在这个实验中令人感兴趣的是我们使用的脉冲(35 fs)比典型的材料振动周期(185 fs)要短，”Dexheimer认为。“这使你可以在精确的时间尺度上研究晶格运动。如果用短脉冲轰击某物，它将振动。随着脉冲的激发可以精确观察到对应于半经典系统振子的振荡。” 她认为在原子尺度上分析材料的结构变化与传统的利用热激发过程的研究有很大的不同。“我们观察的过程是一种由晶格运动直接驱动的电子过程，这种结构的重整主要以物理上尽可能快的速度进行。”

飞秒激光烧蚀高定向热解石墨的超快过程研究

脉冲激光烧蚀高定向热解石墨(HOPG)是制备富勒烯、碳纳米管等碳纳米材料的重要方法之一。研究和认识飞秒脉冲激光烧蚀高定向热解石墨的超快物理过程,可以为探索飞秒激光烧蚀制备各种碳纳米材料提供重要的实验和理论基础。利用抽运-探测技术记录了0.33～20J/cm2不同激光能流下50fs激光脉冲烧蚀高定向热解石墨在0～9ns时间窗口内的超快动态过程,并且比较分析了烧蚀高定向热解石墨和烧蚀铝靶的差别。实验发现,随着入射到高定向热解石墨表面的激光能流从20J/cm2下降到0.33J/cm2,光热机制导致的物质去除逐渐减少,光机械机制的应力释放导致的大颗粒物质喷射逐渐成为主要的物质去除过程。分析表明,靶材的吸收系数是导致高定向热解石墨和铝靶烧蚀动态过程不同的主要因素。

Cu薄膜的瞬态反射率及退火处理的影响

为了研究激光辐照金属薄膜后的超快热化动力学过程,利用磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了Cu薄膜样品,同时取部分样品进行不同温度的退火处理.运用飞秒激光泵浦-探测技术观测了薄膜表面的反射率变化,研究了薄膜退火处理对反射率的影响.结果表明:飞秒激光作用下,Cu薄膜的瞬态反射率曲线分为稳定、快速上升、衰减和恢复4个阶段;退火处理对反射率曲线的峰值和衰减阶段的时间有影响,退火温度越高,反射率变化的峰值越小,衰减阶段所用的时间越长,即电子的冷却速率越慢;基于双温模型预测的电子温度与试验结果大致吻合,但是预测的电子冷却时间比试验要长.

飞秒激光加热金属薄膜反演问题的求解

飞秒激光加热金属薄膜时会在金属内部形成电子温度和晶格温度不平衡的热输运过程,此过程一般可以用抛物两步模型描述。飞秒激光抽运-探测技术可以对上述过程中金属表面的瞬时电子温度进行测量。通过上述实验结果结合抛物两步模型,反推金属微尺度热物性参数是一个反演问题。本文分析了此反演问题求解的可行性,并采用遗传算法对此反演问题进行了求解。

飞秒激光探测超快磁动力学的研究进展

飞秒激光抽运探测在超快磁动力学的研究中有十分广泛的应用。当前在超快磁动力学的研究中,根据抽运光对样品激发方式的不同,主要分为两类:(1)光激发下的磁动力学;(2)磁场激发下的磁动力学。介绍了这两种激发模式下的磁动力学的最新研究进展,并对未来的研究方向进行了展望。