РЕЛАКСАЦИЯ ЭНЕРГИИ В СИЛЬНО ВОЗБУЖДЕННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ПОДСИСТЕМЕ ПЕРЕХОДНОГО МЕТАЛЛА ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследуется пикосекундная динамика релаксации энергии в объемном образце переходного металла никеля после сверхбыстрого нагрева электронной подсистемы фемтосекундным лазерным импульсом с энергией кванта 3.13 эВ в широком диапазоне поглощенных неразрушающих плотностей энергий F abs от 0.8 до 10 мДж/см2. Минимальное значение F abs обусловлено чувствительностью оптической схемы детектирования, максимальное значение F abs находится вблизи порога модификации (разрушения) материала при частоте следования нагревающих импульсов 500 Гц. Экспериментально измерена динамика изменения лазерно-индуцированного дифференциального коэффициента отражения (ΔR/R 0) на длине волны зондирующего излучения 793 нм (1.56 эВ) во временном интервале от –3 до 200 пс с фронтальной стороны поликристаллической пленки Ni толщиной 0.92 мкм, нанесенной методом магнетронного распыления на стеклянную подложку. Представлен анализ экспериментальных данных, обсуждается природа обнаруженных быстрых и медленных изменений ΔR/R 0 в положительной и отрицательной областях. Измеренная методом пикосекундной акустики продольная скорость звука в пленке Ni составила 5.89 ± 0.06 нм/пс.

Об авторах

С. А Ромашевский

Объединенный институт высоких температур РАН

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

Список литературы

  1. Kaganov M.I., Lifshitz I.M., Tanatarov L.V. Relaxation between Electrons and the Crystalline Lattice // Sov. Phys. JETP. 1957. V. 4. № 2. P. 173.
  2. Anisimov S.I., Kapeliovich B.L., Perelman T.L. Electron Emission from Metal Surfaces Exposed to Ultrashort Laser Pulses // J. Exp. Theor. Phys. 1974. V. 66. P. 375.
  3. Medvedev N., Milov I. Electron-phonon Coupling in Metals at Nigh Electronic Temperatures // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. № 6. P. 064302.
  4. Medvedev N., Akhmetov F., Milov I. Electronic Heat Conductivity in a Two-temperature State // Int. J. Heat Mass Transf. 2024. V. 228. P. 125674.
  5. Lin Z., Zhigilei L.V., Celli V. Electron-phonon Coupling and Electron Heat Capacity of Metals under Conditions of Strong Electron-phonon Nonequilibrium // Phys. Rev. B. 2008. V. 77. № 7. P. 075133.
  6. Block A., Liebel M., Yu R., Spector M., Sivan Y., García de Abajo F.J., van Hulst N.F. Tracking Ultrafast Not-electron Diffusion in Space and Time by Ultrafast Thermomodulation Microscopy // Sci. Adv. 2019. V. 5. № 5. P. 1.
  7. Ромашевский С.А., Ашитков С.И., Хохлов В.А., Иногамов Н.А. Исследование релаксации энергии в нанопленке никеля после сверхбыстрого нагрева электронной подсистемы фемтосекундным лазерным импульсом // ТВТ. 2024. Т. 62. №. 6. С. 906.
  8. Edward S., Zhang H., Witte S., Planken P.C.M. Laserinduced Ultrasonics for Detection of Low-amplitude Grating Through Metal Layers with finite Roughness // Opt. Express. 2020. V. 28. № 16. P. 23374.
  9. Sun C.-K., Vallée F., Acioli L.H., Ippen E.P., Fujimoto J.G. Femtosecond-tunable Measurement of Electron Thermalization in Gold // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. № 20. P. 15337.
  10. Karna P., Islam M.R., Hoglund E.R., Hopkins P.E., Giri A. Electron-phonon Coupling Dictates Electron Mean free Paths and Negative Thermal Diffusion in Metals // Mater. Today Chem. 2024. V. 37. P. 101991.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. Hopkins P.E., Duda J.C., Salaway R.N., Smoyer J.L., Norris P.M. Effects of Intra- and Interband Transitions on Electron-Phonon Coupling and Electron Heat Capacity After Short-pulsed Laser Heating // Nanoscale Microscale Thermophys. Eng. 2008. V. 12. № 4. P. 320.
  15. Beaurepaire E., Merle J.-C., Daunois A., Bigot J.-Y. Ultrafast Spin Dynamics in Ferromagnetic Nickel // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. № 22. P. 4250.
  16. Saito T., Matsuda O., Wright O.B. Picosecond Acoustic Phonon Pulse Generation in Nickel and Chromium // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. № 20. P. 205421.
  17. Qiu T.Q., Tien C.L. Short-pulse Laser Neating on Metals // Int. J. Heat Mass Transf. 1992. V. 35. № 3. P. 719.
  18. Wellershoff S.-S., Hohlfeld J., Güdde J., Matthias E. The Role of Electron-phonon Coupling in Femtosecond Laser Damage of Metals // Appl. Phys. A. Mater. Sci. Process. 1999. V. 69. № 7. P. S99.
  19. Wellershoff S.-S., Güdde J., Hohlfeld J., Muller J. G., Matthias E. Role of Electron-phonon Coupling in Femtosecond Laser Damage of Metals // Proc. SPIE 3343. High-Power Laser Ablation. 1998. P. 378.
  20. Kim J.-W., Vomir M., Bigot J.-Y. Ultrafast Magnetoacoustics in Nickel Films // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109. № 16. P. 166601.
  21. Ritzmann U., Oppeneer P.M., Maldonado P. Theory of Out-of-equilibrium Electron and Phonon Dynamics in Metals after Femtosecond Laser Excitation // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. № 21. P. 214305.
  22. Persson A.I.H., Jarnac A., Wang X., Enquist H., Jurgilaitis A., Larsson J. Studies of Electron Diffusion in Photo-excited Ni Using Time-resolved X-ray Diffraction // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. № 20.
  23. Koopmans B., Malinowski G., Dalla Longa F., Steiauf D., Fähnle M., Roth T., Cinchetti M., Aeschlimann M. Explaining the Paradoxical Diversity of Ultrafast Laser-induced Demagnetization // Nat. Mater. 2010. V. 9. № 3. P. 259.
  24. Petrov Y. V., Inogamov N.A., Khokhlov V.A., Migdal K.P. Electron Thermal Conductivity of Nickel and Aluminum in Solid and Liquid Phases in Two-temperature States // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 1787. № 1. P. 012025.
  25. Petrov Y. V., Inogamov N.A. Elimination of the Mott Interband s-d Enhancement of the Electrical Resistance of Nickel and Platinum Owing to the Excitation of Electrons by femtosecond Laser Pulses // JETP Lett. 2013. V. 98. № 5. P. 278.
  26. Petrov Y. V., Inogamov N.A., Migdal K.P. Thermal Conductivity and the Electron-ion Heat Transfer Coefficient in Condensed Media with a Strongly Excited Electron Subsystem // JETP Lett. 2013. V. 97. № 1. P. 20.
  27. Caro A., Correa A.A., Tamm A., Samolyuk G.D., Stocks G.M. Adequacy of Damped Dynamics to Represent the Electron-phonon Interaction in Solids // Phys. Rev. B. 2015. V. 92. № 14. P. 144309.
  28. Mueller B.Y., Rethfeld B. Relaxation Dynamics in Laser-excited Metals under Nonequilibrium Conditions // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 3. P. 035139.
  29. Silaeva E., Saddier L., Colombier J.-P. Drude–Lorentz Model for Optical Properties of Photoexcited Transition Metals under Electron-Phonon Nonequilibrium // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 21. P. 9902.
  30. 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.
  31. 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. P. 495302.
  32. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Юркевич А.А., Агранат М.Б. Экспериментальные измерения оптических постоянных металлов, находящихся в двухтемпературном состоянии // ТВТ. 2016. Т. 54. № 6. С. 957.
  33. Струлева Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Сравнение фемтосекундной лазерной абляции золота и никеля // ТВТ. 2019. Т. 57. № 5. С. 689.
  34. 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.
  35. 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.
  36. 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. P. 054501.
  37. 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. P. 064305.
  38. Lin G., Jiang L., Ji P., Sun J., Hu J., Lian Y. Ultrafast Melting, Spallation, and Phase Explosion in femtosecond Laser Processing on Nickel Film Surface Investigated by Atomistic Simulation and Transient Reflectivity Microscopy // Opt. Laser Technol. 2025. V. 180. P. 111404.
  39. Amoruso S., Bruzzese R., Wang X., Nedialkov N.N., Atanasov P.A. Femtosecond Laser Ablation of Nickel in Vacuum // J. Phys. D. Appl. Phys. 2007. V. 40. № 2. P. 331.
  40. Zahn D., Jakobs F., Windsor Y.W., Seiler H., Vasileiadis T., Butcher T.A., Qi Y., Engel D., Atxitia U., Vorberger J., Ernstorfer R. Lattice Dynamics and Ultrafast Energy Flow between Electrons, Spins, and Phonons in a 3d Ferromagnet // Phys. Rev. Res. 2021. V. 3. № 2. P. 023032.
  41. Tengdin P., You W., Chen C., Shi X., Zusin D., Zhang Y., Gentry C., Blonsky A., Keller M., Oppeneer P.M., Kapteyn H.C., Tao Z., Murnane M.M. Critical Behavior within 20 fs Drives The Out-of-equilibrium Laserinduced Magnetic Phase Transition in Nickel // Sci. Adv. 2018. V. 4. № 3. P. 2.
  42. Lloyd-Hughes J., Oppeneer P.M., Pereira dos Santos T., et al. The 2021 Ultrafast Spectroscopic Probes of Condensed Matter Roadmap // J. Phys. Condens. Matter. 2021. V. 33. № 35. P. 353001.
  43. Bennett P.J., Malinowski A., Rainford B.D., Shatwell I.R., Svirko Y.P., Zheludev N.I. Femtosecond Pulse Duration Measurements Utilizing an Ultrafast Nonlinearity of Nickel // Opt. Commun. 1998. V. 147. № 1–3. P. 148.
  44. Хохлов В.А., Ромашевский С.А., Ашитков С.И., Иногамов Н.А. Синхронное детектирование нелинейных явлений в оптоакустических осцилляциях нанопленки, инициированных фемтосекундным лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ. 2024. Т. 120. № 7–8. С. 550.
  45. 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.
  46. 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.
  47. Ghita A., Mocioi T.-G., Lomonosov A.M., Kim J., Kovalenko O., Vavassori P., Temnov V. V. Anatomy of Ultrafast Quantitative Magnetoacoustics in Freestanding Nickel Thin Films // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. № 13. P. 134419.
  48. Kampen M. van, Kohlhepp J.T., Jonge W.J.M. de, Koopmans B., Coehoorn R. Sub-picosecond Electron and Phonon Dynamics in Nickel // J. Phys. Condens. Matter. 2005. V. 17. № 43. P. 6823.
  49. 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.
  50. Rakić A.D., Djurišić A.B., Elazar J.M., Majewski M.L. Optical Properties of Metallic Films for Vertical-cavity Optoelectronic Devices // Appl. Opt. 1998. V. 37. № 22. P. 5271.
  51. Werner W.S.M., Glantschnig K., Ambrosch-Draxl C. Optical Constants and Inelastic Electron-scattering Data for 17 Elemental Metals // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2009. V. 38. № 4. P. 1013.
  52. Lahiji F.A.F.., Bairagi S., Magnusson R., Sortica M.A., Primetzhofer D., Ekström E., Paul B., le Febvrier A., Eklund P. Growth and Optical Properties of NiO Thin Films Deposited by Pulsed dc Reactive Magnetron Sputtering // J. Vac. Sci. Technol. A. 2023. V. 41. № 6.
  53. Pedrotti F.L., Pedrotti L.M., Pedrotti L.S. Introduction to Optics. 3rd ed. Cambridge Univ. Press, 2017.
  54. Born M., Wolf E. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. 60th ed. Cambridge Univ. Press, 2019.
  55. Unutulmazsoy Y., Merkle R., Fischer D., Mannhart J., Maier J. The Oxidation Kinetics of Thin Nickel Films between 250 and 500°C // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. № 13. P. 9045.
  56. Lambers E.S., Dykstal C.N., Seo J.M., Rowe J.E., Holloway P.H. Room-temperature Oxidation of Ni(110) at Low and Atmospheric Oxygen Pressures // Oxid. Met. 1996. V. 45. № 3–4. P. 301.
  57. Frey H., Khan H.R. Handbook of Thin-Film Technology. Berlin, Heidelberg: Springer, 2015. 379 p.
  58. Paddock C.A., Eesley G.L. Transient Thermoreflectance from Thin Metal Films // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. № 1. P. 285.
  59. 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.
  60. Shim J.-H., Syed A.A., Kim J.-I., Piao H.-G., Lee S. H., Park S.-Y., Choi Y.S., Lee K.M., Kim H.-J., Jeong J.-R., Hong J.-I., Kim D.E., Kim D.-H. Role of Non-thermal Electrons in Ultrafast Spin Dynamics of ferromagnetic Multilayer // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 6355.
  61. Colavita E., Franciosi A., Mariani C., Rosei R. Thermoreflectance Test of W, Mo, and Paramagnetic Cr Band Structures // Phys. Rev. B. 1983. V. 27. № 8. P. 4684.
  62. Hanus J., Feinleib J., Scouler W.J. Low-Energy Interband Transitions and Band Structure in Nickel // Phys. Rev. Lett. 1967. V. 19. № 1. P. 16.
  63. Kirillova М.М. Electron Interband Transitions in Nickel // JETP. 1972. V. 34. № 1. P. 178.
  64. Weaver J.H., Colavita E., Lynch D.W., Rosei R. Low-energy Interband Absorption in bcc Fe and hcp Co // Phys. Rev. B. 1979. V. 19. № 8. P. 3850.
  65. Bigot J.-Y. Femtosecond Magneto-optical Processes in Metals // Comptes Rendus l’Académie des Sci. – Ser. IV – Phys. 2001. V. 2. № 10. P. 1483.
  66. Bévillon E., Stoian R., Colombier J.P. Nonequilibrium Optical Properties of transition Metals upon Ultrafast Electron Neating // J. Phys. Condens. Matter. 2018. V. 30. № 38. P. 385401.
  67. Hohlfeld J., Güdde J., Conrad U., Dühr O., Korn G., Matthias E. Ultrafast Magnetization Dynamics of Nickel // Appl. Phys. B. Lasers Opt. 1999. V. 68. № 3. P. 505.
  68. 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.
  69. Ашитков С.И., Комаров П.С., Овчинников А.В., Ромашевский С.А., Струлева Е.В., Чефонов О.В., Агранат М.Б. Неравновесный нагрев электронов, плавление и модификация нанопленки никеля ультракоротким импульсом терагерцового излучения // Письма в ЖЭТФ. 2024. Т. 120. № 7–8. С. 605.
  70. Norris P.M., Caffrey A.P., Stevens R.J., Klopf J.M., McLeskey J.T., Smith A.N. Femtosecond Pump– Probe Nondestructive Examination of Materials (invited) // Rev. Sci. Instrum. 2003. V. 74. № 1. P. 400.
  71. Scouler W.J. Temperature-Modulated Reflectance of Gold from 2 to 10 eV // Phys. Rev. Lett. 1967. V. 18. № 12. P. 445.
  72. Jiles D.C., Staines M.P. Piezo Optic Properties of Nickel and Platinum // J. Phys. Chem. Solids. 1984. V. 45. № 2. P. 151.
  73. Maldonado P., Chase T., Reid A.H., Shen X., Li R.K., Carva K., Payer T., Horn von Hoegen M., SokolowskiTinten K., Wang X.J., Oppeneer P.M., Dürr H.A. Tracking the Ultrafast Nonequilibrium Energy Flow between Electronic and Lattice Degrees of Freedom in Crystalline Nickel // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. № 10. P. 100302.
  74. Shokeen V., Heber M., Kutnyakhov D. et al. Real-time Observation of Non-equilibrium Phonon-electron Energy and Angular Momentum Flow in Laser-heated Nickel // Sci. Adv. 2024. V. 10. № 5. P. 1.
  75. Maldonado P., Carva K., Flammer M., Oppeneer P.M. Theory of Out-of-equilibrium Ultrafast Relaxation Dynamics in Metals // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. № 17. P. 174439.
  76. Devos A., Emery P. Thin-film Adhesion Characterization by Colored Picosecond Acoustics // Surf. Coatings Technol. 2018. V. 352. P. 406.
  77. Grahn H.T., Maris H.J., Tauc J. Picosecond Ultrasonics // IEEE J. Quantum Electron. 1989. V. 25. № 12. P. 2562.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».