飞秒脉冲激光加热金属薄膜的理论和实验研究_马维刚

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vol．60，No．6(2011)064401*飞秒脉冲激光加热金属薄膜的理论和实验研究1)1)1)2)3)马维刚王海东张兴王玮1)(清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084)2)(北京大学微电子学研究院，北京100871)3)(微米纳米加工技术国家级重点实验室，北京100871)(2010年7月6日收到;2010年9月15日收到修改稿)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

2、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

3、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．关键词:飞秒脉冲激光，电子-声子耦合，界面热导，瞬态热反射PACS:44.05.+e，68.35.－p，66.70.Df，63.20.kd［5］Tien从玻尔兹曼方程出发，去掉了电子温度瞬间1.引言达到平衡的假设，提出了更严格的抛物两步模型．［6］在实验方面，Eesley在1983年首次采用皮秒激光［7］随着超短脉冲激光技术的发展，激光脉冲可以器研究了金属铜中的非平衡导热;熊光成等在－18－15达到阿秒(10s)量级，飞秒(10s)激光器已经1994年也采用飞秒激光瞬态热反射法研究了

4、发展成熟．超短脉冲激光在医学．高密度信息存储YBa2Cu3O7－δ的费米面变化与电子-声子耦合．当金和激光受控核聚变等领域得到了广泛的应用．同属薄膜中电子和声子温度达到平衡时，由于薄膜温时，由于激光脉冲宽度与各载能子间的作用时间可度比基底温度高，热量将会由薄膜通过界面向基底比甚至更小，因此为基础研究提供了重要的实验手传导，傅里叶导热定律被普遍认为适用，在此基础段，带动了物理、化学等研究进入超快、极强的过程上可以测量基底的热导率和界面热导．文献阶段．此外，超短脉冲激光加工由于具有所需激光［8—11］在这方面作了许多很好的工作．比较上述能量低、加

5、工准确、避免附加热损伤等特点而广泛两种情况可以发现，不同的模型只适用于描述超短应用于精密加工．在超短脉冲激光超快加热薄膜的脉冲激光加热金属薄膜的不同阶段，而不能够采用［1，2］过程中，电子和声子将处于非平衡状态，之后电一个统一的模型描述完整的热量弛豫过程．子和声子温度达到平衡并向基底导热．其中的传热本文试图基于双温度模型和傅里叶导热定律机理非常复杂，很多学者在深入研究的基础上作了建立一个普适模型用于完整描述超短脉冲激光加开创性的工作．热薄膜的整个热传导过程．并采用飞秒激光背面抽［3］［12］Kaganov等最早对非平衡电子-声子耦合进行运-表

6、面探测瞬态热反射法实验研究其中的热量［4］了理论研究，之后Anisimov等针对超短脉冲激光传递过程，进而和理论模型进行比较．在此基础上，加热金属薄膜提出了电子-声子双温度模型，Qiu和实验测量金属薄膜的电子-声子耦合系数及金与玻*国家自然科学基金(批准号:50730006，50976053)资助的课题．通讯联系人．E-mail:x-zhang@tsinghua．edu．cn2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb．iphy．ac．cn064401-1物理学报ActaPhys．Sin．Vo

7、l．60，No．6(2011)064401璃、碳化硅两种不同界面间的界面热导．2．理论模型和实验研究2.1.理论模型飞秒激光加热金属薄膜的研究对象为金属薄膜和基底．由于飞秒激光脉冲宽度非常小，在脉冲加热瞬间薄膜内部电子和声子之间存在着严重的非平衡现象，因此又可将研究对象细分为金属薄膜图1理论模型及参考坐标中的电子、声子和基底．其中的能量弛豫可分为如［4，5］电子和声子的控制方程分别为下3个过程:1)在极短时间内电子吸收光子能量，TeTe温度迅速升高，并通过电子-电子相互作用形成稳定Ce(Te)t=x[K(Te，Tp)]x［1］的电

8、子温度，这个过程大约需要500fs．由于声子－G(T－T)+S(x，t)，(1)ep比热容约为电子比热容的100倍，故声子温度变化TpTp很小，从而形成了电子