飛秒激光作用下銅薄膜的超快動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、銅薄膜在微機(jī)電系統(tǒng)和磁性多層膜結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)銅薄膜內(nèi)部超快動(dòng)力學(xué)的研究顯得十分必要，這能為各種磁微器件的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。飛秒激光由于具有脈沖寬度超短和能量密度極高的特點(diǎn)為研究材料的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供了方法。本文利用飛秒激光泵浦-探測(cè)技術(shù)對(duì)銅薄膜的超快動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。
　　 利用磁控濺射技術(shù)制備了不同參數(shù)的銅薄膜，并對(duì)部分薄膜在300℃、500℃和700℃下進(jìn)行退火處理。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(A

2、FM)對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征。結(jié)果表明，300℃退火處理對(duì)銅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)影響很小，晶粒沒(méi)有明顯長(zhǎng)大，薄膜的結(jié)晶程度低；而經(jīng)過(guò)500℃以上高溫退火處理的銅薄膜，其表面出現(xiàn)島狀結(jié)構(gòu)，結(jié)晶程度高。
　　 利用飛秒激光泵浦一探測(cè)技術(shù)對(duì)銅薄膜進(jìn)行瞬態(tài)反射率測(cè)試，研究了退火處理、復(fù)合層金屬和薄膜厚度對(duì)樣品反射率變化曲線的影響。結(jié)果表明，隨著退火溫度的升高，ΔR/R曲線從峰值到達(dá)平衡時(shí)所用的衰減時(shí)間減少；Co和Au金屬層對(duì)銅薄膜的ΔR/R

3、曲線有不同的影響，Au層的加入使Cu/Au復(fù)合膜中曲線的上升幅值大于Cu單層膜，而Co層可以起到散熱、保護(hù)表層薄膜的作用；薄膜厚度沒(méi)有改變?chǔ)/R曲線的形狀，只是對(duì)曲線中的峰值和平衡位置的高度產(chǎn)生了影響。同時(shí)，對(duì)電子-襯底間的能量輸運(yùn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜的厚度接近光穿透深度并且激光的能量較大時(shí)，襯底對(duì)樣品反射率的影響最為明顯。由于硅片比K9玻璃更容易將熱量從銅薄膜的電子系統(tǒng)傳遞到襯底中，從而降低薄膜內(nèi)的電子溫度，因此以硅片為襯底的銅薄

4、膜其ΔR/R曲線的峰值和平衡值均低于以K9玻璃為襯底的銅薄膜。
　　 運(yùn)用雙溫模型在不同的參數(shù)條件下對(duì)銅薄膜的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在激光加熱的初始時(shí)刻，電子溫度和晶格溫度不一致；電子的彈道運(yùn)動(dòng)對(duì)電子的極值溫度影響顯著，而對(duì)熱平衡時(shí)的溫度和熱平衡所用的時(shí)間影響較?。浑S著薄膜內(nèi)深度的增加，電子溫度達(dá)到的最大值逐漸降低。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)和模擬進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中電子馳豫過(guò)程的用時(shí)明顯短于數(shù)值模擬中的用時(shí)。這是由于