飛秒激光納米鈷薄膜超快動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、隨著人類生活和生產(chǎn)的信息化,需要存儲(chǔ)和處理的信息量日益劇增,這對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的容量和讀寫速度提出了更高的要求,因此,磁存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)密度和響應(yīng)速度成為制約信息化的瓶頸,而深入理解光激發(fā)后磁存儲(chǔ)材料的超快熱化動(dòng)力學(xué)和磁化動(dòng)力學(xué)的微觀機(jī)理對(duì)于突破當(dāng)前的存儲(chǔ)極限尤為重要。飛秒激光所具有的超短脈沖寬度和超高峰值功率為研究材料中的超快動(dòng)力學(xué)過程提供了有效的手段,而鉆作為一種典型的過渡族磁性材料,在薄膜磁頭、磁記錄和磁傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?；诖?/p>

2、,本文利用飛秒激光泵浦-探測(cè)熱反射技術(shù)對(duì)納米鈷薄膜的超快動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。本文主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容:
　　 首先,采用磁控濺射技術(shù)在硅片和玻璃基底上制備了不同厚度的鈷薄膜樣品,并取部分樣品分別進(jìn)行了300℃、400℃和500℃退火處理,利用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和X射線衍射儀對(duì)樣品的表面形貌、顆粒大小及其分布和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:當(dāng)沉積的鈷薄膜厚度較小時(shí),表面光滑平整,顆粒細(xì)小,呈連續(xù)狀態(tài)。隨著薄膜厚度

3、不斷增加,顆粒尺寸有逐漸增大的趨勢(shì)；經(jīng)過300℃和400℃退火處理后,鈷薄膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,但沒有觀察到明顯的晶粒析出；而經(jīng)過500℃退火處理后,薄膜表面的島狀結(jié)構(gòu)增大,出現(xiàn)了明顯的結(jié)晶現(xiàn)象；同時(shí)發(fā)現(xiàn),玻璃基底上制備的薄膜質(zhì)量比硅片基底上的好。
　　 其次,基于泵浦-探測(cè)技術(shù)原理,自行搭建了飛秒激光瞬態(tài)熱反射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng),在低能量激光脈沖激發(fā)下,通過測(cè)量不同薄膜厚度、退火處理、復(fù)合層、基底材料、泵浦光功率和泵浦光入

4、射角等條件下薄膜的瞬態(tài)反射率和瞬態(tài)透射率,對(duì)其超快的熱化動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了分析和研究。結(jié)果表明:飛秒激光加熱后,反射率變化曲線可以分為4個(gè)部分:穩(wěn)定階段、上升階段、衰減階段和恢復(fù)階段,曲線在133.4fs的時(shí)間內(nèi)從初始的穩(wěn)定值突變到極值,隨后有一個(gè)緩慢的衰減過程,大約幾個(gè)皮秒；隨著薄膜厚度增加,反射率曲線的極值逐漸減小,曲線衰減過程的速率加快,且恢復(fù)到平衡時(shí)的位置降低,這主要是電子彈道運(yùn)動(dòng)和熱擴(kuò)散分別作用的結(jié)果；退火處理使得薄膜反射率曲線

5、的極值降低,且恢復(fù)到平衡時(shí)所用的時(shí)間增加,這是由于退火后薄膜的晶粒大小發(fā)生了變化；不同的復(fù)合金屬層(Cr、Cu、Ag)的加入,使得反射率變化曲線恢復(fù)到平衡時(shí)的時(shí)間隨著金屬層G值的增大而減小,且恢復(fù)到的平衡位置降低；當(dāng)薄膜的厚度接近光穿透深度時(shí),基底對(duì)樣品反射率的影響顯著,此時(shí)薄膜內(nèi)的電子系統(tǒng)溫度可以通過電子-聲子耦合和電子-基底間的能量輸運(yùn)兩個(gè)途徑來冷卻,隨著厚度增大,基底的影響減弱；隨著泵浦光的功率增大或入射角減小,反射率變化曲線到達(dá)

6、的極值都會(huì)增大；薄膜厚度、退火處理、不同復(fù)合層和泵浦光功率都會(huì)影響透射率變化曲線的極值和恢復(fù)到平衡狀態(tài)時(shí)的位置,而退火處理和復(fù)合層還對(duì)曲線恢復(fù)到平衡狀態(tài)的時(shí)間有影響。
　　 最后,當(dāng)超短激光脈沖與材料相互作用時(shí),如果加熱時(shí)間與材料中的載流子弛豫時(shí)間在數(shù)量級(jí)上相當(dāng),可能會(huì)在金屬中觀察到電子和晶格溫度的非平衡現(xiàn)象,而在鐵磁材料中還可以觀察到自旋引起的退磁現(xiàn)象。目前,用于描述超短脈沖激光與金屬或鐵磁材料相互作用的模型主要有雙溫模型和三

7、溫模型。本文基于這兩種模型,采用有限差分方法對(duì)飛秒激光作用下鈷薄膜的超快熱化動(dòng)力學(xué)和自旋動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。雙溫模型模擬結(jié)果表明:在激光輻照初期,電子和晶格系統(tǒng)之間存在明顯的非平衡現(xiàn)象,電子系統(tǒng)的溫升要明顯大于晶格系統(tǒng)；電子熱容、激光脈沖寬度和激光能量密度對(duì)峰值電子溫度有較大的影響；電子-聲子耦合系數(shù)越大,晶格溫度的上升速率越快,電子和晶格溫度恢復(fù)到平衡狀態(tài)的時(shí)間越短,而它們到達(dá)平衡時(shí)的溫度差別不大；在同一時(shí)刻,隨著薄膜內(nèi)深度的增

8、加,電子溫度逐漸降低,且電子溫度梯度隨時(shí)間延遲先增大后減小。三溫模型模擬結(jié)果表明:引進(jìn)一個(gè)類似于電子熱容系數(shù)的γs來描述自旋熱容隨自旋溫度的變化趨勢(shì),能夠更好的描述自旋系統(tǒng)溫度隨時(shí)間的變化；晶格-自旋耦合系數(shù)在一定程度上決定了自旋系統(tǒng)溫度達(dá)到最大值的延遲時(shí)間,而電子-自旋耦合系數(shù)從量上決定了自旋系統(tǒng)所能達(dá)到溫度的最大值,說明薄膜的退磁過程是晶格-自旋和電子-自旋共同作用的結(jié)果；激光能量密度越大,電子、晶格和自旋系統(tǒng)的峰值溫度越高,并且整