Исследование релаксации энергии в нанопленке никеля после сверхбыстрого нагрева электронной подсистемы фемтосекундным лазерным импульсом

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

Исследована динамика релаксации энергии в пленке никеля толщиной 73 нм, находящейся в сильнонеравновесном двухтемпературном состоянии, индуцированном воздействием фемтосекундного лазерного импульса. Выполнены экспериментальные измерения динамики изменения коэффициента отражения ΔR/R0 с фронтальной стороны нанопленки в оптической схеме «возбуждение–зондирование» с использованием методики фазочувствительного детектирования на длине волны 793 нм во временном диапазоне до 300 пс с временным разрешением 60 фс при максимально возможном неразрушающем поглощенном флюенсе Fabs = 10.87 мДж/см2 нагревающего импульса с длиной волны 396 нм и длительностью 150 фс. Сигнал ΔR/R0 содержит информацию как о динамике тепловых процессов, так и о распространении пикосекундных акустических импульсов в нанопленке и в подложке. Продольная скорость звука в нанопленке составила 5.73 ± 0.16 нм/пс, сдвиг частоты при рассеянии Бриллюэна–Мандельштама в подложке – около 21.15 ГГц. Двухтемпературный гидродинамический расчет дает значения максимальной температуры электронов Te = 2.9 кК и решетки Ti = 1.1 кК. Максимальные значения давления акустического импульса в нанопленке и в подложке составляют 6.8 и 1.2 ГПа соответственно. В литературе практически отсутствуют данные об исследованиях пикосекундной динамики тепловых и акустических процессов в нанопленках металлов при высоких начальных температурах электронной подсистемы, возбужденной в результате воздействия фемтосекундного лазерного импульса с плотностью потока энергии вблизи порога модификации (разрушения) материала.

Авторлар туралы

С. Ромашевский

Объединенный институт высоких температур РАН

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: sa.romashevskiy@gmail.com
Ресей, Москва

С. Ашитков

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: sa.romashevskiy@gmail.com
Ресей, Москва

В. Хохлов

Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН

Email: sa.romashevskiy@gmail.com
Ресей, Черноголовка

Н. Иногамов

Объединенный институт высоких температур РАН; Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН; Всероссийский НИИ автоматики им. Н.Л. Духова (Росатом)

Email: sa.romashevskiy@gmail.com
Ресей, Москва; Черноголовка; Москва

Әдебиет тізімі

  1. Hohlfeld J., Wellershoff S.-S., Güdde J., Conrad U., Jähnke V., Matthias E. Electron and Lattice Dyna-mics Following Optical Excitation of Metals // Chem. Phys. 2000. V. 251. № 1–3. P. 237.
  2. Caffrey A., Hopkins P., Klopf J., Norris P. Thin Film Non-noble Transition Metal Thermophysical Properties // Nanoscale Microscale Thermophys. Eng. 2005. V. 9. № 4. P. 365.
  3. Hopkins P.E., Klopf J.M., Norris P.M. Influence of Interband Transitions on Electron-Phonon Coupling Measurements in Ni Films // Appl. Opt. 2007. V. 46. № 11. P. 2076.
  4. Lin Z., Zhigilei L.V., Celli V. Electron-Phonon Coup-ling and Electron Heat Capacity of Metals under Conditions of Strong Electron-Phonon Nonequilibrium // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. № 7. 075133.
  5. Medvedev N., Milov I. Electron-Phonon Coupling in Metals at High Electronic Temperatures // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. № 6. 064302.
  6. Paddock C.A., Eesley G.L. Transient Thermoreflectance from Thin Metal Films // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. № 1. P. 285.
  7. Clemens B.M., Eesley G.L., Paddock C.A. Time-resolved Thermal Transport in Compositionally Modulated Metal Films // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. № 3. P. 1085.
  8. Tsibidis G.D. Ultrafast Dynamics of Non-equilibrium Electrons and Strain Generation Under Femtosecond Laser Irradiation of Nickel // Appl. Phys. A. 2018. V. 124. № 4. P. 311.
  9. Genieys T., Petrakakis M.N., Tsibidis G.D., Sentis M., Utéza O. Unravelling Ultrashort Laser Excitation of Nickel at 800 nm Wavelength // J. Phys. D. Appl. Phys. 2021. V. 54. № 49. 495302.
  10. Wellershoff S.-S., Hohlfeld J., Güdde J., Matthias E. The Role of Electron-Phonon Coupling in Femtose-cond Laser Damage of Metals // Appl. Phys. A. Mater. Sci. Process. 1999. V. 69. № 7. P. S99.
  11. Engel R.Y., Alexander O., Atak K. et al. Electron Population Dynamics in Resonant Non-linear x-ray Absorption in Nickel at a Free-electron Laser // Struct. Dyn. 2023. V. 10. 054501.
  12. Chang H.-T., Guggenmos A., Cushing S.K. et al. Electron Thermalization and Relaxation in Laser-heated Nickel by Few-femtosecond Core-level Transient Absorption Spectroscopy // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. 064305.
  13. Иногамов Н.А., Хохлов В.А., Ромашевский С.А., Петров Ю.В., Жаховский В.В., Ашитков С.И. Определение важнейших параметров металла, облученного ультракоротким лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 2. C. 107.
  14. Ашитков С.И., Иногамов Н.А., Комаров П.С., Петров Ю.В., Ромашевский С.А., Ситников Д.С., Струлева Е.В., Хохлов В.А. Сверхбыстрый перенос энергии в металлах в сильно неравновесном состоянии, индуцируемом фемтосекундными лазерными импульсами субтераваттной интенсивности // ТВТ. 2022. Т. 60. № 2. С. 218.
  15. Иногамов Н.А., Хохлов В.А., Ромашевский С.А., Петров Ю.В., Овчинников М.А., Ашитков С.И. Сильное возбуждение электронной подсистемы золота ультракоротким лазерным импульсом и процессы релаксации около температуры плавления // ЖЭТФ. 2024. Т. 165. № 2. С. 165.
  16. Matsuda O., Larciprete M.C., Li Voti R., Wright O.B. Fundamentals of Picosecond Laser Ultrasonics // Ultrasonics. 2015. V. 56. P. 3.
  17. Thomsen C., Strait J., Vardeny Z., Maris H.J., Tauc J., Hauser J.J. Coherent Phonon Generation and Detection by Picosecond Light Pulses // Phys. Rev. Lett. 1984. V. 53. № 10. P. 989.
  18. Edward S., Zhang H., Setija I., Verrina V., Antoncecchi A., Witte S., Planken P. Detection of Hidden Gratings through Multilayer Nanostructures Using Light and Sound // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 14. № 1. 014015.
  19. Zhang H., Antoncecchi A., Edward S., Setija I., Plan-ken P., Witte S. Unraveling Phononic, Optoacoustic, and Mechanical Properties of Metals with Light-Driven Hypersound // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 13. № 1. 014010.
  20. Thomsen C., Grahn H.T., Maris H.J., Tauc J. Picose-cond Interferometric Technique for Study of Phonons in the Brillouin Frequency Range // Opt. Commun. 1986. V. 60. № 1–2. P. 55.
  21. Gusev V.E., Ruello P. Advances in Applications of Time-domain Brillouin Scattering for Nanoscale Imaging // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. № 3. 031101.
  22. Devos A., Côte R. Strong Oscillations Detected by Picosecond Ultrasonics in Silicon: Evidence for an Electronic-structure Effect // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. № 12. 125208.
  23. Greener J.D.G., de Lima Savi E., Akimov A.V., Raetz S., Kudrynskyi Z., Kovalyuk Z.D., Chigarev N., Kent A., Patané A., Gusev V. High-frequency Elastic Coupling at the Interface of van der Waals Nanolayers Imaged by Picosecond Ultrasonics // ACS Nano. 2019. V. 13. № 10. P. 11530.
  24. Thomsen C., Grahn H.T., Maris H.J., Tauc J. Surface Generation and Detection of Phonons by Picosecond Light Pulses // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. № 6. P. 4129.
  25. Eesley G.L., Clemens B.M., Paddock C.A. Generation and Detection of Picosecond Acoustic Pulses in Thin Metal Films // Appl. Phys. Lett. 1987. V. 50. № 12. P. 717.
  26. Saito T., Matsuda O., Wright O.B. Picosecond Acoustic Phonon Pulse Generation in Nickel and Chromium // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. № 20. P. 1.
  27. Kim J.-W., Vomir M., Bigot J.-Y. Ultrafast Magnetoacoustics in Nickel Films // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109. № 16. 166601.
  28. Edward S., Zhang H., Witte S., Planken P.C.M. Laser-induced Ultrasonics for Detection of Low-amplitude Grating Through Metal Layers with Finite Roughness // Opt. Express. 2020. V. 28. № 16. P. 23374.
  29. Persson A.I.H., Enquist H., Jurgilaitis A., Andreasson B.P., Larsson J. Real-Time Observation of Coherent Acoustic Phonons Generated by an Acoustically Mismatched Optoacoustic Transducer Using X-Ray Diffraction // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. 185308.
  30. Crimmins T.F., Maznev A.A., Nelson K.A. Transient Grating Measurements of Picosecond Acoustic Pulses in Metal Films // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. № 9. P. 1344.
  31. Tzianaki E., Bakarezos M., Tsibidis G.D., Orphanos Y., Loukakos P.A., Kosmidis C., Patsalas P., Tatarakis M., Papadogiannis N.A. High Acoustic Strains in Si Through Ultrafast Laser Excitation of Ti Thin-film Transducers // Opt. Express. 2015. V. 23. № 13. P. 17191.
  32. De Haan G., van den Hooven T.J., Planken P.C.M. Ultrafast Laser-induced Strain Waves in Thin Ruthenium Layers // Opt. Express. 2021. V. 29. № 20. P. 32051.
  33. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Агранат М.Б. Сопротивление деформированию титана вблизи теоретического предела прочности // ТВТ. 2018. Т. 56. № 6. С. 897.
  34. Струлёва Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Термомеханическая абляция титана при фемтосекундном лазерном воздействии // ТВТ. 2019. Т. 57. № 4. С. 529.
  35. Johnson P., Christy R. Optical Constants of Transition Metals: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Pd // Phys. Rev. B. 1974. V. 9. № 12. P. 5056.
  36. Danilov E.A., Uryupin S.A. Generation and Detection of Sound at the Effect of Femtosecond Pulses on a Metal Film on a Dielectric Substrate // J. Appl. Phys. 2023. V. 133. 203101.
  37. Danilov E.A., Uryupin S.A. Influence of Inhomogeneous Temperature and Field Distribution on Sound Generation and Its Effect on Reflectivity of a Thin Film Heated by a Femtosecond Pulse // J. Appl. Phys. 2024. V. 136. 015304.
  38. Анисимов С.И., Жаховский В.В., Иногамов Н.А., Мигдал К.П., Петров Ю.В., Хохлов В.А. Физика высоких плотностей энергии и лазерные технологии // ЖЭТФ. 2019. Т. 156. № 4. С. 806.
  39. Demaske B.J., Zhakhovsky V.V., Inogamov N.A., Oleynik I.I. Ultrashort Shock Waves in Nickel Induced by Femtosecond Laser Pulses // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 5. 054109.
  40. Жаховский В.В., Иногамов Н.А. Упруго-плас-тические явления в ультракоротких ударных волнах // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 92. № 8. С. 574.
  41. Inogamov N.A., Petrov Y.V., Zhakhovsky V.V., Khokhlov V.A., Demaske B.J., Ashitkov S.I., Khishchenko K.V., Migdal K.P., Agranat M.B., Anisimov S.I., Fortov V.E. Two-temperature Thermodynamic and Kinetic Properties of Transition Metals Irradiated by Femtosecond Lasers // AIP Conf. Proc. 2012. V. 1464. P. 593.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Russian Academy of Sciences, 2024