CN114046736B - 一种基于泵浦探测分析确定金属电子弹道深度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于泵浦探测分析确定金属电子弹道深度的方法，属于超快检测领域。该方法采用超连续白光泵浦探测对金属薄膜进行膜厚依赖的测试，后选择峰值信号动力学进行去卷积三指数拟合得到分别对应电子‑电子散射、电子‑声子散射和热扩散过程的时间常数，通过电‑电散射时间常数的膜厚依赖趋势分析确定电子弹道深度。这种方法为确定各种条件下的金属电子弹道深度提供了一种简单、精确且严谨的测试分析方案，并且对于各类金属具有普适性。

Description

一种基于泵浦探测分析确定金属电子弹道深度的方法
技术领域
本发明涉及一种基于泵浦探测分析确定金属电子弹道深度的方法，属于超快检测领域。
背景技术
金属在受激发后产生脱离费米-狄拉克分布态的非热电子，在超快光学器件领域例如全光调制器拥有巨大潜力。对于非热电子弹道深度的探测，将对理论模型的修正、发展以及基于金属的超快光学器件的设计提供巨大的指导意义。然而，由于电子弹道运动与电-电散射是同时发生、相互竞争的过程，且电-电散射的尺度通常在百fs量级，而电子弹道运动速度接近费米速度约为106m/s，因此电子弹道深度通常在百nm左右，并且与激发能量、激发通量、金属类型有关，导致对于电子弹道深度的精准探测存在重要挑战。
近年来，超快光谱技术的发展为金属受激发后的超快过程探测提供了可能。例如J.Hohlfeld等人对不同厚度的金膜进行了膜厚依赖的瞬态反射测试，结果发现在初始的5-7ps内厚膜呈现出指数衰减的趋势，当膜厚减小到100nm时会转变成线性衰减的趋势，结合理论模型分析，他们将100nm归结为此实验条件下的金的电子平均自由程，也就是电子弹道深度。然而此种利用线性衰减判定电子弹道深度的观测误差较大。同时，大多数研究里使用单一的波长探测动力学并进行比较，科学意义不严谨。因此需要一种简单、精确、严谨的方法去确定各种实验条件下的金属电子弹道深度，从而去推动理论模型的修正、发展以及基于金属的超快光学器件的设计。
发明内容
本发明的目的在于解决传统的测试方法确定电子弹道深度误差较大、测试条件的科学意义不严谨的问题，提供一种基于泵浦探测分析确定金属电子弹道深度的方法。该方法采用超连续白光泵浦探测对金属薄膜进行膜厚依赖的测试，后选择峰值信号动力学进行去卷积三指数拟合得到分别对应电子-电子散射、电子-声子散射和热扩散过程的时间常数，通过电-电散射常数的膜厚依赖趋势分析确定电子弹道深度。这种方法为确定各种条件下的金属电子弹道深度提供了一种简单、精确且严谨的测试分析方案，并且对于各类金属具有普适性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
步骤一：制备多个厚度的金属薄膜，厚度在百nm左右，厚度间隔为20nm，基底为石英基底；
步骤二：在相同的激发能量和激发通量下利用超连续白光反射式泵浦探测对所有薄膜进行测试，得到对应于所有膜厚的宽谱瞬态吸收数据；
步骤三：通过对金属热电子超快动力学过程的探测波长依赖分析可得知对应于峰值信号处的动力学上升沿由激光激发和电子-电子散射过程主导，而下降沿主要由电子-声子散射过程主导。因此为了将电子-电子散射过程与电子-声子散射过程区分开来，从宽谱瞬态吸收数据中提取出峰值信号动力学进行后续分析；
步骤四：对峰值信号动力学进行去卷积三指数拟合，得到分别对应电子-电子散射、电子-声子散射和热扩散过程的时间常数；
步骤五：作出电子-声子散射过程时间常数的膜厚依赖图，分析如下：对于膜厚在电子弹道深度范围内的薄膜，相同激发通量下在更薄的薄膜中产生更高的非热电子密度，进而增加电-电散射速率，导致电-电散射时间减少，因此会体现出电-电散射时间随膜厚增加而增加的趋势；而当膜厚超过电子弹道深度时，相比于膜厚在电子弹道深度范围内的薄膜，会进行更多的电子弹道运动，而电子弹道运动与电-电散射是两个相互竞争的过程，因此更多的电子弹道运动会导致更少的电-电散射以及相应更小的时间常数，最终会在电-电散射时间常数的膜厚依赖关系中看到一个转折点对应电子弹道深度附近，误差在20nm范围内，进一步通过二分法选择适当的膜厚重复上述步骤，可快速精确确定电子弹道深度。
选择石英绝缘基底，减少测试过程中金属薄膜与基底之间通过热传导发生的能量损耗。
薄膜大多通过沉积制备，薄膜厚度的精度以及薄膜纯度对最后结果的分析有很大影响。因此，在沉积薄膜之前，基底经过丙酮，异丙醇，去离子水超声清洗各15分钟并用氮气枪吹去残留的水分以保证薄膜沉积的均匀和纯净。在沉积过程中用台阶仪检测保证厚度偏差小于5％。
鉴于金属的高反射率，选择反射式测量以保证高的信号强度以及信噪比。
有益效果
1、通过对拟合结果的定性分析，即对于膜厚在电子弹道深度范围内的薄膜，电子-电子散射时间随膜厚增加而增加，当膜厚继续增加至超过电子弹道深度时，电子-电子散射时间会呈现出突然的减少，据此得到电子弹道深度所在区间，进而结合二分法重复实验步骤，得到电子弹道深度。实现了一种简单、快速、精确地确定电子弹道深度的方法。
2、本发明通过对动力学探测波长依赖的分析，进而选择峰值信号动力学进行后续分析，使得本发明的分析方法更为科学严谨。
3、本发明对各类金属具有普适性。
附图说明
图1为本发明中对于探测波长选择的分析说明图；
图2为本发明中确定电子弹道深度的原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
通过磁控溅射在石英基底上沉积厚度为20nm，40nm，60nm，80nm，100nm，的铜膜，在沉积薄膜之前，基底经过丙酮，异丙醇，去离子水超声清洗各15分钟并用氮气枪吹去残留的水分以保证薄膜沉积的均匀和纯净。在沉积过程中用台阶仪检测保证厚度偏差小于5％。
利用超连续白光反射式泵浦探测对所有厚度的薄膜进行测试，激发波长为400nm，对应带间跃迁激发，探测光范围在500-900nm之间。测试原理为激发光会改变费米能级附近的载流子分布，随后当使用小于带间跃迁阈值能量的波长进行探测时会得到增强的吸收信号，而当使用小于带间跃迁阈值能量的波长进行探测时会得到减弱的吸收信号。
选取负吸收信号动力学进行探测波长依赖分析，如图1所示，整体的超快动力学被划分为三个过程：激光激发、电-电散射、电-声散射，不同的探测波长对应于距离费米能级远近不同的探测能级。通过观察分析可知，峰值信号的上升沿由激光激发和电-电散射主导，下降沿由电-声散射主导，而距离费米能级较远的探测能级动力学上升沿由激光激发主导，下降沿由电-电散射和电-声散射过程主导，位于中间能级以及距离费米能级位置更近的探测能级动力学的顶点均落在电-电散射区间内。因此为了将电子-电子散射过程与电子-声子散射过程区分开来，从宽谱瞬态吸收数据中提取出峰值信号动力学进行后续分析；
对峰值信号动力学进行去卷积三指数拟合，拟合公式为：
Figure BDA0003344499740000031
得到分别对应电子-电子散射、电子-声子散射和热扩散过程的时间常数，其中负数项的时间常数对应电子-电子散射过程，作出电子-声子散射过程时间常数的膜厚依赖关系，如图2所示。对于膜厚在电子弹道深度范围内的薄膜，相同激发通量下在更薄的薄膜中产生更高的非热电子密度，进而增加电-电散射速率，导致电-电散射时间减少，因此会体现出电-电散射时间随膜厚增加而增加的趋势；而当膜厚超过电子弹道深度时，相比于膜厚在电子弹道深度范围内的薄膜，会进行更多的电子弹道运动，而电子弹道运动与电-电散射是两个相互竞争的过程，因此更多的电子弹道运动会导致更少的电-电散射以及相应更小的时间常数，最终会在电-电散射时间常数的膜厚依赖图中看到一个转折点对应电子弹道深度附近，也就是图2中从60nm到80nm时发生的趋势转变，表明铜的电子弹道深度落在60nm和80nm之间，与文献中所报道的70nm吻合；后续进一步通过二分法选择适当的膜厚重复上述实验步骤得到相应的电-电散射时间常数并绘制到膜厚依赖关系中，找到转折发生的点，快速精确定位电子弹道深度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于泵浦探测分析确定金属电子弹道深度的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、制备多个不同厚度的金属薄膜；
步骤二、在相同的激发能量和激发通量下，利用超连续白光反射式泵浦探测对所有金属薄膜进行测试，得到对应于所有膜厚的宽谱瞬态吸收数据；
步骤三、通过对金属热电子超快动力学过程的探测波长依赖分析可得知对应于峰值信号处的动力学上升沿由激光激发和电子-电子散射过程主导，而下降沿主要由电子-声子散射过程主导；从步骤二所得的宽谱瞬态吸收数据中提取出峰值信号动力学；
步骤四、对步骤三提取的峰值信号动力学进行去卷积三指数拟合，得到对应电子-电子散射过程的时间常数；
步骤五、作出电子-声子散射过程时间常数的膜厚依赖图，对于膜厚在电子弹道深度范围内的薄膜，相同激发通量下在更薄的薄膜中产生更高的非热电子密度，进而增加电-电散射速率，导致电-电散射时间减少，因此会体现出电-电散射时间随膜厚增加而增加的趋势；而当膜厚超过电子弹道深度时，相比于膜厚在电子弹道深度范围内的薄膜，会进行更多的电子弹道运动；根据步骤四所得时间常数，作出电子-声子散射过程时间常数的膜厚依赖图；通过所述膜厚依赖图得到多个点，其中，转折点和下一个点之间即为电子弹道深度所在范围；
步骤六：通过对步骤五所得范围进行二分法处理，并重复步骤二至步骤五，能够快速精确确定电子弹道深度。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于：步骤一所述金属薄膜的厚度在百nm左右，厚度间隔为20nm，基底为石英基底。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于：步骤一所述金属薄膜是通过沉积法制备，薄膜厚度的精度以及薄膜纯度对最后结果的分析有很大影响；因此，在沉积薄膜之前，基底经过丙酮，异丙醇，去离子水超声清洗各15分钟并用氮气枪吹去残留的水分以保证薄膜沉积的均匀和纯净；在沉积过程中用台阶仪检测保证厚度偏差小于5%。
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