飛秒激光作用下Cr薄膜的非平衡傳熱特性研究.pdf

1、隨著微納器件的快速發(fā)展和納米薄膜材料的廣泛應(yīng)用,那些發(fā)生在微尺度下的超快熱傳輸過程不同于傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散規(guī)律,具有明顯的非平衡特性。準(zhǔn)確理解微觀的能量沉積和輸運(yùn)機(jī)制對(duì)于微納器件的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用具有十分重要的意義。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熱力學(xué)過程提供了有效的手段,運(yùn)用飛秒激光泵浦-探測技術(shù)研究了Cr薄膜的非平衡傳熱特性。
　　 首先,采用磁控濺射技術(shù)在Si片和玻璃襯底上制備了不同厚度的Cr薄膜樣

2、品,并取部分樣品分別進(jìn)行了450℃、550℃和650℃退火處理,利用掃描電鏡和原子力顯微鏡對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn):濺射得到的薄膜樣品表面都光滑平整,且隨著薄膜厚度增大,顆粒大小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；退火處理后,薄膜的晶粒明顯變大,且當(dāng)退火溫度為550℃時(shí)效果最好。
　　 其次,基于拋物兩步熱傳導(dǎo)模型,對(duì)飛秒激光作用下Cr薄膜的超快非平衡動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。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

3、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)對(duì)其影響不大,而對(duì)電子和晶格溫度達(dá)到平衡時(shí)的延遲時(shí)間影響較大；隨著激光脈沖寬度減小,材料的燒傷閾值降低；在同一時(shí)刻,隨著薄膜從表層到里層內(nèi)深度的增加,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。
　　 最后,利用飛秒激光泵浦-探測熱反射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過測量不同厚度、退火處理、襯底和泵浦光功率影

4、響下Cr薄膜的瞬態(tài)反射率,對(duì)其超快的非平衡熱傳輸過程進(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)緩慢的恢復(fù)過程；隨著薄膜厚度增加,反射率曲線在零點(diǎn)后的變化幅值逐漸減小,曲線的恢復(fù)過程逐漸加快,且恢復(fù)到平衡時(shí)的位置降低,這主要是由電子彈道運(yùn)動(dòng)和熱擴(kuò)散兩個(gè)過程引起的；薄膜厚度較小時(shí),襯底材料對(duì)反射率曲線的影響較大,隨著厚度增大,影響減弱,且熱導(dǎo)率較高的Si襯底樣品的反射率