基于高頻飛秒瞬態(tài)反射技術(shù)的Bi薄膜的相干聲子振蕩

閆　奇，吳文智

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院, 哈爾濱 150080)

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基于高頻飛秒瞬態(tài)反射技術(shù)的Bi薄膜的相干聲子振蕩

閆奇，吳文智*

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院, 哈爾濱 150080)

以飛秒振蕩器作為激發(fā)光源，使用單色泵浦-探測(cè)技術(shù)觀測(cè)Bi薄膜的超快動(dòng)力學(xué)和相干聲子振蕩。在不同泵浦能量(0.28～4.57 mJ/cm2)下，可以觀測(cè)到明顯的相干聲子振蕩現(xiàn)象，這主要是由A1g模式的振動(dòng)引的。在考慮啁啾系數(shù)的條件下使用經(jīng)典阻尼振蕩函數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合。實(shí)驗(yàn)和理論擬合結(jié)果顯示，隨著泵浦能量的增加，其振蕩強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，經(jīng)過快速傅里葉變換后，A1g模式的頻率值從2.98 THz變化到2.92 THz，明顯不對(duì)稱，啁啾常數(shù)發(fā)生變化，A1g模式有軟化趨勢(shì)，這與低頻高能脈沖激發(fā)下得出的結(jié)論一致。

相干聲子; A1g模式; 泵浦探測(cè); 阻尼振蕩; 相干聲子位移激發(fā)(DECP)

隨著超短激光脈沖技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來它已經(jīng)成為研究各種納米和塊體材料光學(xué)性質(zhì)的重要手段。因飛秒超快脈沖具有持續(xù)時(shí)間極短的特點(diǎn)，在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域中是一種快速過程診斷的工具，可以使用泵浦-探測(cè)(Pump Probe, 縮寫為PP)、相干反斯托克斯拉曼光譜(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy，縮寫為CARS)、熒光上轉(zhuǎn)換(Fluorescence Optical Gating，縮寫為FOG)、非簡(jiǎn)并四波混頻(Nondegenerate Four Wave Mixing, 縮寫為NFWM)等時(shí)間分辨技術(shù)來研究材料在激光作用下載流子和晶格振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程[1]。飛秒激光時(shí)間分辨技術(shù)能夠研究和了解物質(zhì)內(nèi)部物理的、化學(xué)的，生物的非常快速的變化過程。在泵浦-探測(cè)技術(shù)的發(fā)展中，針對(duì)反射率較高的薄膜材料的測(cè)量采用的是飛秒瞬態(tài)熱反射技術(shù)(Femtosecond Transient Thermoreflectance, 簡(jiǎn)稱為FTTR)，測(cè)量高反射率材料的非平衡載流子子弛豫過程，因其在時(shí)間分辨上的優(yōu)勢(shì)和非接觸式測(cè)量使得該項(xiàng)技術(shù)成為微尺度熱輸運(yùn)機(jī)理研究領(lǐng)域中主要的實(shí)驗(yàn)手段。FTTR作為一種快速、無損傷測(cè)量手段，被應(yīng)用于熱擴(kuò)散率、熱導(dǎo)率和晶格振動(dòng)等材料物性的研究技術(shù)[2]。半金屬薄膜作為熱電轉(zhuǎn)換器、納米陣列微結(jié)構(gòu)、電容器和微機(jī)械傳感器等方面的組成部分，深入理解半金屬薄膜材料的晶格振動(dòng)，對(duì)于改善器件性能和提高系統(tǒng)指標(biāo)有著重要的意義。

近幾年針對(duì)Bi薄膜的相干振蕩和超快動(dòng)力學(xué)研究報(bào)道很多[3-6]。在理論方面，使用全勢(shì)線性平面波計(jì)算模擬強(qiáng)激光脈沖作用下的Bi膜的表面勢(shì)能，非簡(jiǎn)諧的聲子坐標(biāo)的五次方與吸收激光能量成正比，使用包含電子聲子耦合和載流子衍射的模型可得到任何已知激光形狀和周期的鉍薄膜的隨時(shí)間變化的勢(shì)能面?；谌珓?shì)線性平面波計(jì)算實(shí)驗(yàn)中觀察到的A1g模式，結(jié)果顯示這一拍頻效應(yīng)并非源于量子效應(yīng)，而可利用經(jīng)典理論模型進(jìn)行解釋[7]。在實(shí)驗(yàn)方面，2015年俄羅斯Melnikov A. A.組使用超連續(xù)白光探測(cè)，測(cè)量了泵浦波長(zhǎng)從400 nm到 2.3 μm變化的電子和晶格動(dòng)力學(xué)過程并觀察了A1g模式隨著泵浦和探測(cè)波長(zhǎng)變化的關(guān)系，另外數(shù)據(jù)分析顯示沿著布里淵區(qū)的T-A-T-方向的電子-空穴和電子-聲子耦合強(qiáng)度具有明顯的波矢依賴性[8]。

筆者基于搭建的瞬態(tài)泵浦-探測(cè)反射實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量了以BK7玻璃為基底的膜厚為150 nm的Bi薄膜的載流子衰減動(dòng)力學(xué)和相干聲子振蕩過程。分析了不同泵浦強(qiáng)度下的采集信號(hào)方式對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并使用衰減諧振子模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。該研究有助于理解半金屬薄膜的相干聲子振蕩對(duì)其光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的影響。

1　理論模型與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1理論模型

圖1　鉍的晶體結(jié)構(gòu)和兩種振動(dòng)模式A1g和EgFig.1　Crystal structure of Bi with A1g and Egvibration mode

Bi材料的晶體結(jié)構(gòu)通常是A7結(jié)構(gòu)或砷結(jié)構(gòu)，點(diǎn)群為-3m，是典型的五族元素結(jié)構(gòu)。A1g模式對(duì)應(yīng)縱模光學(xué)模式，對(duì)應(yīng)是沿著立方體對(duì)角線方向上兩個(gè)原子的振動(dòng)，其頻率約為2.92 THz，Eg模式對(duì)應(yīng)的是橫模光學(xué)模式，是兩個(gè)原子沿相反方向的振動(dòng)，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率約為2.22 THz。針對(duì)這一結(jié)構(gòu)還存在其他更為復(fù)雜的振動(dòng)模式如2Eg、2A1g等[9]，文中不涉及這些更為復(fù)雜的振動(dòng)模式，具體的A1g和Eg振動(dòng)模式見圖1。

基于已知的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程[10]，可以把原子相對(duì)于平衡位置的相干振動(dòng)看成是簡(jiǎn)諧振子，通過阻尼諧振方程來描述頻域和時(shí)域光譜如方程

(1)

式中Q為偏離的晶格平衡位置位移；ω0是該阻尼諧振子的頻率;f(t)是瞬間驅(qū)動(dòng)力;t為諧振子強(qiáng)度的衰減時(shí)間;m為諧振子質(zhì)量。

可以使用這一模型來解釋Bi薄膜的瞬態(tài)反射動(dòng)力學(xué)曲線中的相干振蕩。當(dāng)入射激光存在兩個(gè)不同的頻率分量ω1和ω2，兩個(gè)頻率的差正好與晶體中某種振動(dòng)頻率相同時(shí)，這種特定模式的聲子就會(huì)被激發(fā)。根據(jù)Raman散射原理，入射激光引起的晶格振動(dòng)必能改變晶格的電偶極矩，即發(fā)生電子極化率的改變，對(duì)應(yīng)的晶格振動(dòng)模式才具有Raman活性。因此產(chǎn)生相干光學(xué)聲子需要滿足幾個(gè)必須的條件：①具有Raman活性的振動(dòng)模式，包括已經(jīng)測(cè)量得到的A1g和Eg模式；②激光脈沖時(shí)間小于晶格固有振動(dòng)周期[11]。如果激光器輸出的飛秒脈沖波長(zhǎng)為800 nm，脈沖寬度為80 fs，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理可以得到其相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)寬度約為27 nm，可見飛秒激光脈沖中含有多個(gè)不同頻率分量可激發(fā)特定模式聲子；Bi材料的A1g和Eg相干聲子振蕩周期>300 fs，如要產(chǎn)生振蕩，使用的激發(fā)光源的脈沖寬度<150 fs。

1.2鉍膜的制備

Bi為典型的半金屬材料，介于金屬和非金屬之間的物質(zhì)，通常導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂有很小的一部分重合。鉍材料常溫下的帶隙寬度<0.1 eV[12]。鉍主要用于制造易熔合金，熔點(diǎn)范圍是47～262 ℃，最常用的是鉍同鉛、錫、銻、銦等金屬組成的合金，用于消防裝置、自動(dòng)噴水器等，鉍合金具有凝固時(shí)不收縮的特性，用于鑄造印刷鉛字和高精度鑄型等。厚度為130 μm的BK7玻璃基片先后用丙酮和去離子水進(jìn)行清洗，并在氮?dú)庵懈稍?，鉍膜的制備使用的是真空電子束蒸鍍技術(shù)，用成都真空機(jī)械廠的真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)(ZZS-800)。純度為99.9%的鉍片作為靶材，蒸發(fā)速率和薄膜厚度通過IC/5薄膜沉積控制器(INFICON)進(jìn)行控制[13]。

1.3實(shí)驗(yàn)裝置

圖2　基于單色泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2　The sketch of one-color pump-probe setup using seed laser

摻鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器(Mira, Coherent)產(chǎn)生的高頻飛秒激光的波長(zhǎng)為800 nm，脈寬為80 fs，重復(fù)頻率為76 MHz，激光脈沖被分束片分為兩束，一束能量較強(qiáng)的飛秒脈沖作用于樣品，另外一束能量較弱的飛秒脈沖作為探測(cè)光，兩束光的強(qiáng)度比值約為10 ∶1，泵浦光和探測(cè)光到達(dá)樣品表面的時(shí)間差通過步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行控制，泵浦光的光斑直徑遠(yuǎn)大于探測(cè)光的光斑直徑，以保證在樣品表面處完全重合。使用非共線法搭建瞬態(tài)反射實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。用泵浦光激發(fā)樣品表面，使其達(dá)到非平衡態(tài)，探測(cè)光與樣品作用后，與參考光分別通過快速響應(yīng)的硅探測(cè)器(Thorlabs, DET10A)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，使用預(yù)放大器(Stanford Research System, SR560)來進(jìn)行做差，并進(jìn)行限頻放大，消除激光系統(tǒng)本身的不穩(wěn)定，放大電信號(hào)。電信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器(Signal Recovery, DSP Model 7265)進(jìn)行處理，得到不同時(shí)刻探測(cè)光強(qiáng)的變化。探測(cè)光相對(duì)抽運(yùn)光脈沖到達(dá)樣品的時(shí)刻有一個(gè)精確的延遲時(shí)間，測(cè)量過程中，每一次測(cè)量確定波長(zhǎng)和時(shí)間點(diǎn)上的反射率，可以得到脈沖作用后一段時(shí)間內(nèi)特定波長(zhǎng)下反射率的變化曲線，由于載流子處于非平衡的狀態(tài)，樣品表面反射回來的探測(cè)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，而這一改變與樣品內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程有著很大的聯(lián)系，通過測(cè)量探測(cè)光隨延遲時(shí)間的變化可間接地得出樣品內(nèi)部的超快動(dòng)力學(xué)過程。激光脈沖的能量使用功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，設(shè)定斬波器的頻率為2 200 Hz。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

激光激發(fā)波長(zhǎng)為800 nm，對(duì)應(yīng)的光子能量為1.55 eV，激發(fā)光照射到半金屬鉍膜后，許多電子由原來的基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，也就是由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，被激發(fā)的電子和電子之間相互碰撞，迅速形成局域的非平衡能量分布，同時(shí)分離的電子和空穴在薄膜表面形成局域電場(chǎng)改變?cè)訉?shí)的平衡狀態(tài)，使得該原子實(shí)在新的平衡位置上來回振動(dòng)。

不同泵浦能量下，Bi薄膜的超快動(dòng)力學(xué)曲線見圖3，可見衰減曲線主要由快速的阻尼振蕩和載流子衰減部分構(gòu)成[14]，為了分析薄膜材料的瞬態(tài)反射動(dòng)力學(xué)結(jié)果，并結(jié)合衰減的諧振子模型可將材料的瞬態(tài)反射率隨時(shí)間變化的關(guān)系總結(jié)動(dòng)力學(xué)曲線的表達(dá)式[15]

(2)

式中H(t)為階躍函數(shù)；A、B為光激發(fā)載流子的瞬態(tài)反射強(qiáng)度；C為相干聲子振蕩的強(qiáng)度；tR和tF分別為光激發(fā)載流子的建立和衰減時(shí)間；tp、β和φ分別為相干聲子的退相位時(shí)間、啁啾系數(shù)和初始相位。擬合結(jié)果顯示，啁啾系數(shù)隨著泵浦能量的變化而有顯著變化，隨著泵浦能量的增加相干聲子振蕩強(qiáng)度和載流子建立和衰減引起的瞬態(tài)反射強(qiáng)度增大。強(qiáng)度隨著泵浦能量變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

圖3　800 nm波長(zhǎng)下不同激發(fā)能量(0.28～4.57 mJ/cm2)下的鉍膜的瞬態(tài)反射率ΔR/RFig.3　Dependence of transient reflectivity change ΔR/R of bismuth at 800 nm on delay time, excitation density is from 0.28 to 4.57 mJ/cm2

圖4　不同泵浦能量下去除載流子衰減成分影響的鉍薄膜的相干聲子振蕩Fig.4　Coherent phonon of Bismuth film at different pump fluences after the elimination of carrier’s contribution

圖5　對(duì)應(yīng)圖3中曲線經(jīng)過快速傅里葉變換后得到的頻譜Fig.5　Fourier transformed spectra of Bismuth film corresponding to Fig.3

為了更好地分析實(shí)驗(yàn)曲線，使用濾波的方法將結(jié)果中的載流子衰減部分去除掉，得到相干振蕩部分的結(jié)果見圖4。因?yàn)榧す獾拇┩干疃冗h(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉍膜的晶格常數(shù)，而且觀察振動(dòng)模式與體材料的A1g模式一致，而不是表面聲子引起的，所以該效應(yīng)源于體材料效應(yīng)[16]。

經(jīng)過快速傅里葉變換后，可見明顯的A1g振動(dòng)成分而未發(fā)現(xiàn)明顯的Eg振動(dòng)模式。隨著泵浦能量從4.57減小到0.28 mJ/cm2，A1g模式的頻率值從2.98 THz變化到2.92 THz，在泵浦能量高的情況下，可見FFT頻峰明顯不對(duì)稱(圖5)。由于啁啾常數(shù)發(fā)生變化，A1g模式有軟化趨勢(shì)，這與低頻高能脈沖激發(fā)下得出的結(jié)論一致。這可能是由于泵浦能量增加，Bi薄膜表面形成一定程度的熱累積，引起反射率的變化，使得振動(dòng)頻率隨著泵浦能量增加而變小。

3　結(jié)　論

以飛秒振蕩器作為激發(fā)光源，使用單色泵浦-探測(cè)技術(shù)觀測(cè)Bi薄膜的超快動(dòng)力學(xué)和相干聲子振蕩，在不同泵浦能量(0.28～4.57 mJ/cm2)下，可以觀測(cè)到明顯的相干聲子振蕩現(xiàn)象，這主要是由A1g模式的振動(dòng)引的。在考慮啁啾系數(shù)的條件下使用經(jīng)典阻尼振蕩函數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合。實(shí)驗(yàn)和理論擬合結(jié)果顯示，隨著泵浦能量的增加，其振蕩強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，經(jīng)過FFT變化后，A1g模式的頻率值從2.98 THz變化到2.92 THz，明顯不對(duì)稱，啁啾常數(shù)發(fā)生變化，A1g模式有軟化趨勢(shì)，這與低頻高能脈沖激發(fā)下得出的結(jié)論一致。

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Coherent phonon resonance of Bismuch film based on high-repetition rate femtosecond transient reflection technique

YAN Qi,WU Wen-Zhi*

(SchoolofElectronicEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

We measured coherent optical phonon dynamics in a thin bismuth film through one-color pump-probe reflection experiment with femtosecond oscillator as excitation laser source. The obvious coherent phonon can be observed due to the damped harmonic oscillation of A1gmode as a function of pump fluence from 0.28～4.57 mJ/cm2. The experimental and theoretical results reveals the amplitude of coherent phonon is enhanced with the pump fluence increased under the condition of chirp coefficient considered. After the fast Fourier transformation, the frequency of A1gmode is asymmetrical and changed from 2.98 to 2.92 THz when the pump fluence is increased. The soften of A1gmode can be derived with the consistence of low-repetition rate femtosecond laser source.

Coherent phonon; A1gmode; pump probe;danped oscillation;Displacive Excitation Coherent Phonon (DECP)

10.13524/j.2095-008x.2016.02.031

2016-02-02

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20160511.1708.002.html

國家青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61204007);黑龍江省新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(1254-NCET-018);黑龍江省青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃(1252G047);黑龍江省博士后啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(LBH-Q14139);黑龍江大學(xué)杰出青年基金資助項(xiàng)目(JCL201205)

閆奇(1995-)，男，遼寧鞍山人，本科生，研究方向：薄膜熱傳導(dǎo)，E-mail:330988503@qq.com;*通訊作者：吳文智(1979-),男，遼寧營口人，副教授，博士，研究方向：飛秒激光技術(shù)、薄膜熱傳遞等,E-mail： wuwenzhi@hlju.edu.cn。

O551.3

A

2095-008X(2016)02-0085-05